Теоретические вопросы

1. Чем отличаются зонные структуры проводника, полупроводника и диэлектрика?

2. Зависит ли средняя энергия W свободных электронов в металле от числа атомов, образующих кристалл?

3. Как влияет температура на концентрацию свободных электронов в металле?

4. Почему удельное сопротивление металлов увеличивается с повышением температуры?

5. Как меняется средняя длина свободного пробега в идеально чистом металле и в металле с примесями при увеличении температуры (от абсолютного нуля)?

6. Почему металлические сплавы типа твердых растворов обладают более высоким удельным сопротивлением, чем чистые компоненты, образующие сплав?

7. Изобразите (качественно) график зависимости удельного сопротивления от состава бинарного сплава, компоненты которого обладают ограниченной взаимной растворимостью в твердой фазе.

8. Почему при термической закалке удельное сопротивление металлов возрастает, а при термическом отжиге – уменьшается?

9. Как и почему изменяется удельное сопротивление металлов при плавлении?

10. Как и почему изменяется удельное сопротивление металлов при механических воздействиях (сжатие, растяжение, изгиб, пластическая деформация)?

11. Одинаковым ли будет относительное изменение удельного сопротивления меди для двух температурных интервалов: 20 - 60 ⁰С и 60 – 100 ⁰С (по отношению к начальному значению в каждом из этих интервалов)?

12. Почему разность потенциалов, возникающую при контакте двух различных металлов, нельзя измерить с помощью вольтметра?

13. В каких условиях возможно появление термоЭДС в замкнутой цепи? Назовите основные механизмы, ответственные за возникновение термоЭДС.

14. Объясните, почему относительная удельная термоЭДС уменьшается при понижении температуры и стремится к нулю по мере приближения температуры к абсолютному нулю.

15. Всегда ли горячий конец металлического проводника имеет положительную полярность термоЭДС?

16. Почему в формулы для плотности тока и удельной проводимости металлов входит концентрация всех свободных электронов, хотя реально в электропроводности участвует лишь небольшая часть электронов?

17. Медный и алюминиевый провода равной длины имеют одинаковые сопротивления. Определите отношение диаметров и масс этих проводов.

18. Объясните, почему при переходе с непрерывного режима питания электронагревательного элемента из нихрома на режим многократного включения и отключения срок службы нагревателя существенно сокращается.

19. Последовательная цепь состоит из нескольких осветительных ламп с вольфрамовой нитью накаливания, имеющих одинаковую мощность и номинальное напряжение. Если одну из них заменить на лампу с таким же напряжением, но большей мощности, она будет гореть ярче или тусклее прежней?

20. Для сплавов двух металлов А и В при температуре Т₁ получены показанные на рисунке 1 зависимости удельного сопротивления ρ и температурного коэффициента удельного сопротивления α_ρ от состава сплава. Постройте (качественно) на этом же рисунке зависимость удельного сопротивления от состава сплава для температуры T₂ > T₁, считая, что α_ρ от температуры практически не зависит.

Рисунок 1

21. Имеется два сплава меди с одинаковым количеством примеси: сплав А с добавлением кадмия и сплав Б с добавлением сурьмы. Определите, в каком из этих сплавов влияние примесей сильнее сказывается на относительном изменении удельной проводимости.

22. Объясните, почему тонкие металлические пленки имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

23. Объясните, почему удельное электрическое сопротивление тонких металлических пленок больше, чем у объемных образцов из того же металла.

24. Почему сопротивление проводника переменному току больше, чем постоянному?

25. Проволочный нихромовый и металлооксидный резисторы, имеющие одинаковые номинальные сопротивления, включены параллельно и на них подано напряжение. Как будут меняться во времени (с момента подачи напряжения) токи, протекающие через эти резисторы?

26. Проволочный нихромовый и металлооксидный резисторы, имеющие одинаковые номинальные сопротивления, включены последовательно и на них подано напряжение. Как будет меняться во времени (с момента подачи) напряжение на каждом резисторе?

27. При комнатной температуре средняя энергия тепловых колебаний атомов существенно меньше ширины запрещенной зоны полупроводников. Каким образом электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости в собственном полупроводнике?

28. Сколько электронов находится на уровне Ферми в собственном полупроводнике? Как влияет температура на положение этого уровня?

29. Почему рассеяние на ионизированных примесях относительно слабо сказывается на подвижности носителей заряда при повышенных температурах?

30. Может ли удельное сопротивление полупроводников возрастать при нагревании?

31. Изобразите (качественно) на рисунке, как будет изменяться удельное сопротивление полупроводника с постоянной концентрацией доноров, если в него последовательно вводить все большее количество акцепторов.

32. В идеально скомпенсированном полупроводнике концентрация электронов равна концентрации дырок. Можно ли считать, что при всех температурах удельное сопротивление такого полупроводника равно собственному удельному сопротивлению?

33. Перечислите основные физические факторы, которые обусловливают нарушение закона Ома в полупроводниках при воздействии на них сильного электрического поля.

34. Назовите основные факторы, от которых зависят время жизни и диффузионная длина неравновесных носителей заряда.

35. Назовите основные механизмы поглощения света в полупроводниках. Какие из механизмов являются активными?

36. В чем заключается принципиальное отличие рекомбинационных ловушек от ловушек захвата? Как изменяется фотопроводимость полупроводников при увеличении числа рекомбинационных ловушек?

37. Какие причины обусловливают нелинейное изменение фотопроводимости полупроводников в зависимости от интенсивности облучения?

38. Какова должна быть ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, чтобы длина волны рекомбинационного излучения приходилась на видимую часть спектра?

39. Определите тип электропроводности полупроводника, если ЭДС Холла имеет полярность, указанную на рисунке 2.

Рисунок 2

40. Изменится ли значение ЭДС Холла, если ширину полупроводниковой пластины b (рисунок 2) уменьшить в 2 раза: 1) при неизменных напряженностях электрического и магнитного полей; 2) при неизменных индукции магнитного поля и плотности тока через образец; 3) при неизменных индукции магнитного поля и тока через образец?

41. Почему значения термоЭДС полупроводников резко уменьшаются при переходе от примесной к собственной электропроводности?

42. Каков знак термоЭДС у полупроводников с собственной электропроводностью?

43. У каких полупроводников и при каких условиях удельная термоЭДС обращается в ноль?

44. Определить направление термоЭДС в полупроводнике, обусловленной тем, что основными носителями заряда в полупроводнике являются дырки.

45. При пропускании тока через собственный полупроводник под действием поперечного магнитного поля происходит отклонение электронов и дырок к одной и той же боковой грани образца. Возникающее при этом поле Холла не может воспрепятствовать одновременному поперечному смещению электронов и дырок. Объясните, каким образом в полупроводнике достигается состояние динамического равновесия и у боковых граней не происходит бесконечного накопления носителей заряда?

46. Почему для изготовления большинства полупроводниковых элементов требуются монокристаллические материалы и не могут быть использованы поликристаллические образцы?

47. Каким образом производится кристаллизационная очистка кремния и германия? Какой метод получил наибольшее распространение для выращивания крупных монокристаллов этих полупроводников?

48. В чем заключается принципиальное отличие зонной плавки германия и кремния?

49. Изобразите пространственное распределение зарядов и энергетические диаграммы симметричного резкого р-n перехода для следующих случаев: а) внешнее напряжение отсутствует; б) прямое смещение перехода; в) обратное смещение перехода. При построениях по горизонтальной оси откладывать расстояние х. Укажите направление диффузионного электрического поля и высоту потенциального барьера p-n перехода.

50. Изобразите пространственное распределение зарядов и энергетические диаграммы несимметричного резкого р-n перехода (N_A > N_D), где N_A – концентрация акцепторных примесей в р -области; N_D – концентрация донорных примесей в n -области (примеси считать ионизированными), для следующих случаев: а) внешнее напряжение отсутствует; б) прямое смещение перехода; в) обратное смещение перехода. При построениях по горизонтальной оси откладывать расстояние х. Укажите направление диффузионного электрического поля и высоту потенциального барьера p-n перехода.

51. Для резкого несимметричного p-n -перехода при N_A = 2N_D постройте распределение концентрации примесей N(x), плотности объемного заряда Q, градиента потенциала dj/dx и потенциала j вдоль координаты х, перпендикулярной границе р-n -перехода. Примеси считаются ионизированными.

52. Для симметричного плавного p-n -перехода с линейным распределением концентрации примесей постройте распределение концентрации примесей N(x), плотности объемного заряда Q, градиента потенциала dj/dx и потенциала j вдоль координаты х, перпендикулярной границе р-n -перехода. Примеси считаются ионизированными.

53. Как и почему изменяется высота потенциального барьера р-n -перехода с изменением температуры и с изменением концентрации примесей в прилегающих к переходу областях?

54. Почему термодинамическая работа выхода для полупроводника n- типа меньше, чем для полупроводника р- типа?

55. Можно ли использовать контактную разность потенциалов, возникающую в р-n -переходе, в качестве источника напряжения?

56. Почему контактную разность потенциалов в полупроводнике с неравномерным распределением примесей нельзя измерить вольтметром?

57. Физические свойства какой из двух областей р-n -перехода определяют дырочный диффузионный ток через него при постоянных напряжении и температуре?

58. От чего зависит и чем определяется концентрация неосновных носителей заряда на границах p-n -перехода при малых токах через переход?

59. К несимметричному р-n -переходу с концентрацией примесей N_D >> N_A приложено обратное напряжение. Указать составляющую тока, которая будет наибольшей при этих условиях.

60. Какая из двух областей р-n -перехода обладает более высоким удельным сопротивлением, если известно, что число дырок, инжектируемых через p-n- переход в единицу времени, на несколько порядков больше числа электронов?

61. Как скажется на значении обратного тока насыщения p-n -перехода пропорциональное увеличение концентрации примесей в обеих его областях? Как изменится этот ток, если концентрация примесей увеличится только в одной области, а в другой останется неизменной?

62. Почему примесные энергетические уровни в полупроводниках n – типа не расщепляются?

63. В полупроводнике n – типа одновременно с ионизацией примеси происходит тепловая генерация, в результате которой образуется пара носителей – электрон и дырка. Почему в таком случае концентрация дырок на несколько порядков меньше?

64. Сопровождается ли эффект Холла изменением значения сопротивления полупроводника?

65. В полупроводнике р – типа одновременно с ионизацией примеси происходит тепловая генерация, в результате которой образуется пара носителей – электрон и дырка. Почему в таком случае концентрация электронов на несколько порядков меньше?

66. Объясните, как можно определить тип электропроводности полупроводника с помощью эффекта Зеебека.

67. От какого параметра полупроводникового материала зависит высота потенциального барьера p - n – перехода при одинаковой концентрации примесей в n – и р – областях?

68. В каком из полупроводниковых материалов – арсениде галлия или фосфиде галлия – больше контактная разница потенциалов?

69. Какие процессы происходят в полупроводнике при наличии на его поверхности зарядов? Нарисуйте энергетические диаграммы полупроводника р-типа при наличии на его поверхности: а) небольшого положительного заряда; б) положительного заряда большой плотности. Вдоль горизонтальной оси откладывайте расстояние х, отсчитываемое вглубь от поверхности полупроводника.

70. При нагреве полупроводника до определенного значения коэффициент Холла не меняется, а удельное сопротивление несколько возрастает. При дальнейшем росте температуры обе величины резко уменьшаются. Почему?

71. Какие процессы происходят в полупроводнике при наличии на его поверхности зарядов? Нарисуйте энергетические диаграммы полупроводника р-типа при наличии на его поверхности: а) небольшого отрицательного заряда; б) отрицательного заряда большой плотности. Вдоль горизонтальной оси откладывайте расстояние х, отсчитываемое вглубь от поверхности полупроводника.

72. Сравните (качественно) времена жизни и диффузионные длины неравновесных носителей заряда в собственном и компенсированном полупроводниках, имеющих одинаковые удельные сопротивления.

73. Какие процессы происходят в полупроводнике при наличии на его поверхности зарядов? Нарисуйте энергетические диаграммы полупроводника n-типа при наличии на его поверхности: а) небольшого положительного заряда; б) положительного заряда большой плотности. Вдоль горизонтальной оси откладывайте расстояние х, отсчитываемое вглубь от поверхности полупроводника.

74. Что такое барьерная емкость p - n – перехода?

75. Какие процессы происходят в полупроводнике при наличии на его поверхности зарядов? Нарисуйте энергетические диаграммы полупроводника n-типа при наличии на его поверхности: а) небольшого отрицательного заряда; б) отрицательного заряда большой плотности. Вдоль горизонтальной оси откладывайте расстояние х, отсчитываемое вглубь от поверхности полупроводника.

76. Какие особенности имеет контакт между полупроводниками одного типа электропроводности?

77. Слои диоксида кремния, полученные на поверхности кремния, всегда содержат донорные примеси, сосредоточенные вблизи границы с кремнием. Какое влияние оказывают эти слои на приповерхностную структуру кремния n-типа?

78. Слои диоксида кремния, полученные на поверхности кремния, всегда содержат донорные примеси, сосредоточенные вблизи границы с кремнием. Какое влияние оказывают эти слои на приповерхностную структуру кремния р-типа?

79. В диапазоне температур 0…100 ⁰С были получены температурные зависимости диэлектрической проницаемости ε (рисунок 3) для слюды, полипропилена, поливинилхлорида и сегнетоэлектрической керамики (масштаб по вертикальной оси для различных материалов разный). Определите, какому материалу соответствует каждая кривая, и изобразите (качественно) для каждого из них зависимость температурного коэффициента диэлектрической проницаемости α_ε от температуры.

Рисунок 3

80. На рисунке 4 показана температурная зависимость диэлектрической проницаемости ε полярного пористого диэлектрика с пропиткой. Постройте (качественно) зависимость температурного коээфициента диэлектрической проницаемости α_ε от температуры для того же интервала.

Рисунок 4

81. Пространство между пластинами плоского конденсатора заполнено жидким диэлектриком с диэлектрической проницаемостью e₁, в котором во взвешенном состоянии находится шар из твердого диэлектрика с диэлектрической проницаемостью e₂. Изобразите картину силовых линий электрического поля в конденсаторе для двух случаев: а) e₁ < e₂; б) e₁ > e₂.

82. Капельки воды находятся во взвешенном состоянии в трансформаторном масле. Что с ними произойдет, если масло поместить в постоянное электрическое поле?

83. В каких единицах выражается удельное объемное и удельное поверхностное сопротивление диэлектриков? Почему их экспериментальное определение проводят при постоянном, а не при переменном напряжении, а также через 1 минуту после подачи напряжения на диэлектрик?

84. Удельное объемное сопротивление диэлектрика экспоненциально зависит от температуры: r_v = A*exp (W/kT), где W – энергия активации диэлектрика, A и k – постоянные. Определите температурный коэффициент удельного сопротивления диэлектрика.

85. Почему в диэлектриках не обнаруживается эффект Холла?

86. Как объяснить, что неполярные диэлектрики обладают гидрофобными свойствами?

87. При каких условиях для электроизоляционных материалов соблюдается закон Ома?

88. На рисунке 5 показаны зависимости (качественно) удельного поверхностного сопротивления r_s от относительной влажности воздуха y для четырех различных диэлектриков: а) не смачиваемого водой и не растворимого в ней; б) пористого; в) плотного, смачиваемого водой и частично растворимого в ней; г) смачиваемого водой, но не растворимого в ней. Указать, какой вид зависимости характерен для каждого из перечисленных диэлектриков и почему.

Рисунок 5

89. Как изменится энергия, приобретаемая свободным электроном в газе в однородном электрическом поле, если давление газа увеличить в два раза при одновременном уменьшении в два раза длины разрядного промежутка; Как изменится при этом средняя длина свободного пробега электрона? Внешнее напряжение, приложенное к газу, считать постоянным.

90. Почему диэлектрические свойства газа не характеризуют значением удельного электрического сопротивления?

91. Почему диэлектрики не используют в качестве датчиков температуры, несмотря на сильную температурную зависимость их проводимости?

92. Изобразите (качественно) температурные зависимости удельной проводимости твердых ионных диэлектриков в координатах lg g = f (1/T) при различном содержании примесей.

93. Объясните, почему полимеры с повышенной диэлектрической проницаемостью имеют, как правило, пониженное удельное сопротивление.

94. В каких диэлектриках и при каких условиях существенную роль играют потери на ионизацию?

95. Что называют поляризацией диэлектрика? Какие виды поляризации можно считать мгновенными, а какие замедленными? Установите взаимосвязь между видами поляризации и механизмом диэлектрических потерь.

96. На рисунке 6 показаны частотные зависимости диэлектрических проницаемостей двух различных диэлектриков. Пренебрегая потерями на электропроводность, определить: а) в каком случае коэффициент потерь отличен от нуля; б) частотную зависимость коэффициента потерь для выбранного диэлектрика.

Рисунок 6

97. Почему электрическая прочность твердых диэлектриков больше, чем жидких, а жидких – больше, чем газообразных?

98. Одинаково ли будет изменяться пробивное напряжение воздуха, если производить его нагревание: а) при постоянном давлении; б) при постоянном объеме?

99. Почему ударная ионизация молекул газа в сильном электрическом поле производится главным образом электронами, а не ионами?

100. Как влияет давление газа на его электрическую прочность и ионизационные потери?

101. Чем отличается пробой газа в однородном и неоднородном электрическом поле? Почему при увеличении расстояния между электродами пробивное напряжение газа в однородном поле возрастает?

102. Почему более толстые слои диэлектриков, как правило, имеют меньшую электрическую прочность?

103. Как и почему изменится пробивное напряжение воздуха при нормальном атмосферном давлении, если температуру повысить от 20 до 100⁰С?

104. Изобразите графически зависимости напряжения пробоя воздуха от расстояния между электродами при постоянном давлении. Как изменится вид графика, если давление станет меньше первоначального?

105. Изобразите графически зависимость напряжения пробоя газа от давления при различных расстояниях между электродами.

106. Для трех диэлектрических материалов при испытаниях в однородном электрическом поле получены приведенные на рисунке 7 зависимости пробивного напряжения от толщины. Постройте (качественно) в одной системе координат зависимости электрической прочности этих материалов от толщины.

Рисунок 7

107. На рисунке 8 для керамического опорного изолятора показаны значения пробивного напряжения в зависимости от температуры окружающей среды отдельно для теплового (зависимость 1) и электрического (зависимость 2) пробоя. Чему будет равно пробивное напряжение (отметить на графике) этого изолятора и какой вид пробоя будет наблюдаться в нем при температурах Т₁, Т₂, Т₃?

Рисунок 8

108. Почему для изоляции обмоточных проводов трансформаторов и электродвигателей используют термореактивные, а не термопластичные лаки?

109. Как и почему изменится напряжение поверхностного пробоя, если керамический изолятор поместить в трансформаторное масло?

110. Каким образом происходит кристаллизация стекол с однородной мелкозернистой структурой по всему объему?

111. Чем отличается строение кристаллического кварца и силикатных стекол? Почему стеклообразование вещества является термодинамически неустойчивым? Какие процессы происходят в стекломассе при медленном охлаждении?

112. Предполагая, что в диэлектрике доминируют потери на электропроводность, изобразите график зависимости напряжения теплового пробоя от температуры окружающей среды.

113. Чем объясняется высокая стойкость кварцевого стекла к тепловым импульсам?

114. Почему ситаллы и силикатные стекла одинакового химического состава обладают разными электрическими, механическими и теплофизическими свойствами?

115. Для определения природы носителей заряда в ионном диэлектрике был использован метод Тубандта. При этом были изготовлены три таблетки исследуемого диэлектрика, на две из которых с одной стороны были нанесены электроды. Каж­дая таблетка была тщательно взвешена, затем все таблетки были сложены, как показано на рисунке 9, и через них в течение длительного времени пропускали постоянный ток.

Рисунок 9

При поляр­ности приложенного напряжения, указанной на рисунке, масса второй таблетки осталась неизменной, масса первой таблетки увеличилась, а масса третьей уменьшилась. Определить вид электропроводности данного диэлектрика и знак носителей заряда.

116. Для определения природы носителей заряда в ионном диэлектрике был использован метод Тубандта. При этом были изготовлены три таблетки исследуемого диэлектрика, на две из которых с одной стороны были нанесены электроды. Каж­дая таблетка была тщательно взвешена, затем все таблетки были сложены, как показано на рисунке 9, и через них в течение длительного времени пропускали постоянный ток. При поляр­ности приложенного напряжения, указанной на рисунке, массы всех трех таблеток остались неизменными. Определить вид электропроводности данного диэлектрика и знак носителей заряда.

117. Для определения природы носителей заряда в ионном диэлектрике был использован метод Тубандта. При этом были изготовлены три таблетки исследуемого диэлектрика, на две из которых с одной стороны были нанесены электроды. Каж­дая таблетка была тщательно взвешена, затем все таблетки были сложены, как показано на рисунке 9, и через них в течение длительного времени пропускали постоянный ток. Изменятся ли массы таблеток (если да, то как) для поляр­ности приложенного напряжения, указанной на рисунке, если известно, что данный диэлектрик имеет ионную электропроводность, создаваемую положительными ионами?

118. Какие дополнительные диэлектрические потери воз­никают в двухслойном диэлектрике, слои которого параллель­ны плоскости электродов (рисунок 10)?

Рисунок 10

При отношении удельных проводимостей слоев γ₁/γ₂ = 3 каким должно быть отношение диэлектрических проницаемостей слоев, чтобы дополнительные диэлектрические потери не возникали?

119. На рисунке 11 показано распределение напряженности электрического поля вблизи поверхности диэлектрика плоского конденсатора, площадь обкладок которого меньше площади диэлектрической пластины, для различных значений напряжения на обкладках (U₁ < U₂ < U₃ < U₄), а также пробивная напряженность для воздуха Е_{пр. возд.} При каком значении напряжения произойдет поверхностный пробой?

120. На рисунке 11 показано распределение напряженности электрического поля вблизи поверхности диэлектрика плоского конденсатора, площадь обкладок которого меньше площади диэлектрической пластины, для различных значений напряжения на обкладках (U₁ < U₂ < U₃ < U₄), а также пробивная напряженность для воздуха Е_{пр. возд.} При каком значении напряжения появятся дополнительные потери, связанные с ионизацией воздуха?

Рисунок 11

121. На рисунке 11 показано распределение напряженности электрического поля вблизи поверхности диэлектрика плоского конденсатора, площадь обкладок которого меньше площади диэлектрической пластины, для различных значений напряжения на обкладках (U₁ < U₂ < U₃ < U₄), а также пробивная напряженность для воздуха Е_{пр. возд.} Изобразите (качественно) в диэлектрике силовые линии электрического поля и линии равного потенциала.

122. На рисунке 12 показаны сечения трех дисковых керамических конденсаторов, изготовленных из одного материала. Значения D₁, D₂ и h для всех конденсаторов одинаковы. Для какой конструкции напряжение поверхностного пробоя максимально?

123. На рисунке 12 показаны сечения трех дисковых керамических конденсаторов, изготовленных из одного материала. Значения D₁, D₂ и h для всех конденсаторов одинаковы. Будут ли отличаться их емкости?

124. В полярном диэлектрике присутствуют дипольные потери и потери на электропроводность. Нарисуйте (качественно) график зависимости суммарных потерь от частоты.

Рисунок 12

125. В полярном диэлектрике присутствуют дипольные потери и потери на электропроводность. Нарисуйте (качественно) график зависимости суммарных потерь от температуры.

126. Назовите особенности поверхностного пробоя твердых диэлектриков и способы его предотвращения.

127. Почему лавинно-стримерный пробой в газах происходит гораздо быстрее лавинного?

128. Какие виды пробоя являются обратимыми?

129. Будет ли пробивное напряжение газообразных диэлектриков зависеть от частоты напряжения?

130. Зависит ли электрическая прочность газов от их химического состава?

Дата добавления: 2014-12-07