Використання напівпровідників та електричний струм в напівпровідниках

РЕФЕРАТ З фізики.

На тему:

Використання напівпровідників та Електричний струм в напівпровідниках «

Електричний струм в напівпровідниках

1. Електропровідність речовин характеризується наявністю великої кількості вільних зарядів та їх рухливістю.

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів немає, які мають хорошу рухливість.

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів.

В напівпровідниках при звичайних умовах вільних зарядів, а при нагріванні, опроміненні, наявності домішок з’являється велика кількість вільних зарядів і вони стають провідниками. До них належать елементи IV групи таблиці Мєндєлєєва германій, кремній, селен, а також сполуки з елементів ІІІ групи і елементами V групи і ряд інших.

мал. 21.1 Метали Напівпровідники Діелектрики.

2. Провідність речовин залежить від температури наявності домішок та освітленості, так як ці фактори впливають на кількість вільних зарядів та їх рухливість.

При нагріванні провідників І роду кількість вільних зарядів практично не міняється, а їх рухливість погіршується, що приводить до погіршення провідності. Наявність домішок також погіршує провідність. Освітленість практично впливає на провідність.

При нагріванні діелектриків появляється незначна кількість вільних зарядів, тому провідність трохи покращується. При сильнішому нагріванні діелектрик швидше руйнується (плавиться, горить) ніж в ньому появиться достатньо велика кількість вільних зарядів. Наявність домішок також незначно покращує провідність. Освітленість майже не міняє.

В напівпровідниках нагрівання, опромінення і наявність домішок різко збільшує кількість вільних зарядів і тому провідність значно покращується.

3. Розрізняють власну і домішкову провідність напівпровідників.

Якщо напівпровідник нагріти або опромінити, то електрони почнуть відриватись від своїх атомів, а на їх місці виникне дірка (фактично позитивний іон), якій приписують позитивний заряд. Таким чином в напівпровіднику відбувається генерація (утворення) пар зарядів «електрон — дірка», яких є однакова кількість.

Провідність, створена власними носіями заряду, називається власною. Якщо електрон попадає в дірку, то відбувається рекомбінація, тобто зникнення пари зарядів.

мал. 21.2.

Якщо в напівпровідник германій добавити елемент V групи таблиці Мєндєлєєва миш’як, то чотирма своїми електронами він зв’яжеться з чотирма атомами германію, а п’ятий електрон лишившись без зв’язку відірветься і стане вільним. Тобто носіями заряду будуть негативні вільні електрони. Такий напівпровідник називається п-типу (від слова негатив), а домішки — донорними.

Якщо в напівпровідник германій добавити елемент ІІІ групи, наприклад індій, то трьома своїми електронами він зв’язується з трьома атомами германію, а для зв’язку з четвертим атомом позичає електрон у якогось атома германія. На тому місці лишається позитивна дірка.

Такий напівпровідник називається р-типу (від слова позитив), а домішки акцепторними.

Провідність створена зарядами домішок називається домішковою.

Виробництво конструкційних матеріалів

Чорна та кольорова металургія, хімія, целюлозно-паперова, керамічна та цементна промисловість утворюють єдину систему в світовому господарстві. Вони пе­реробляють мінеральну сировину в конструкційні матеріали. Розвиток науки та зростання потреб економіки в матеріалах високої якості сприяли як удосконален­ню традиційних матеріалів і способів їх виробництва, так і створенню принципово нових їх видів (пластмас, хімічних волокон, каучуків) та різноманітних композит них матеріалів (вуглепласти, металопласти, кераміко-металічні сполуки та ін.).

На чорні метали припадає 70−75% обсягів конструкційних матеріалів, на пластмаси — 15%. Важлива роль належить алюмінію. Все більшого значення на­бувають композитні матеріали, які особливо активно використовуються — авіакосмічній та автомобільній промисловості, а також силікатні матеріали так званої тонкої кераміки, без якої неможливий розвиток електронної промисловості.

Металургія — основний виробник конструкційних матеріалів. Розрізняють чор­ну та кольорову металургію. Зростає значення порошкової металургії й виробництв, композитних матеріалів. Галузь споживає велику кількість сировини, матеріалів та енергії, є одним із найбільших забруднювачів навколишнього середовища.

Особливостями розвитку і розміщення чорної металургії в другій по­ловині XX ст. є послаблення її орієнтації на місцеву паливну та сировинну базу. У минулому металургійні заводи будувались біля вугільних басейни (Рур, Пітсбург, Донбас, Кузбас, Сілезія) або біля залізорудних баз (Лотарингія-Кривий Ріг, Урал). Ця тенденція зберігається й нині під час освоєння нових мета лургійних баз (наприклад, розміщення металургійних заводів Індії, Бразилії, Ки­таю), але все більше заводів виникає на шляхах перевезення руд та палива або rf поблизу основних ринків збуту металу (металургія Японії, Республіки Корея. Італії, нові заводи ФРН, Франції, Росії тощо). До того ж, у світі накопичилися ве­ликі запаси металу в машинах, будовах, на транспорті, що є значною базою вто­ринних ресурсів (металобрухт), на який уже в усьому світі припадає 1/3, а в окре­мих країнах більша частина металургійної сировини, що використовується у ви­робництві. Це дає змогу підвищити частку металобрухту в доменному та сталеплавильному виробництві заводів або створювати мережу невеликих заводів, які виплавляють метал, використовуючи тільки вторинні ресурси.

Розвиток чорної металургії за останні два десятиліття уповільнився, що пояснюється зниженням металомісткості сучасного промислового виробництва, зростан­ням затрат на технічне оновлення виробництва, загостренням конкурентної боротьби на ринку металів та заміною металів пластмасами. В 1994 році в світі було ви. роблено 726 млн тонн сталі, 510 млн тонн чавуну, видобуто 531 млн тонн залізної руди (в перерахунку на вміст металу), що не набагато перевищувало показники 70-х років. Характерною рисою залишається висока концентрація виробництва: так у перших 12 країнах зосереджено ¾ світового виробництва сталі. Водночас набирає потужність чорна металургія країн, що розвиваються, та країн нової індустріалізації: у цій галузі Бразилія й Індія входять до провідних країн світу, зрос­ло виробництво чорних металів в Республіці Корея, Тайвані, Туреччині, Мексиці. Кольорова металургія світу в 1994 році виробила близько 45 млн тонн різних металів, в тому числі 19,2 млн тонн алюмінію. Традиційно в цій галузі розрізняють виробництво важких (мідь, свинець, цинк, олово, нікель), легких (алюміній, титан, магній), малих (ртуть, кадмій, сурма, кобальт), легуючих (воль­фрам, ванадій, хром, молібден), благородних (золото, срібло, платина), рідких і рідкоземельних (індій, германій) металів. Специфіка роботи галузі полягає в тому, що, з одного боку, постійно зростає по­пит на її продукцію — всі галузі широко використовують алюміній, в авіакосмічній промисловості зростає попит на титан, в атомній — на цирконій та гафній, в радіо­електроніці - на германій, індій, кобальт, талій, тантал, не кажучи вже про золото і сріблоз другого — перед виробниками гостро постають енергосировинні, екологічні та фінансові проблеми. Більшість промислове розвинутих країн бідні на руди кольорових металів. Значні сировинні бази мають тільки США, Росія, Китай, якоюсь мірою до них можна долучити Австралію та Канаду. Інші розвинуті країни переваж­но використовують довізні концентрати або металобрухт кольорових металів. Наве­демо, як приклад, особливості територіальної організації алюмінієвої промисловості. Тут склалися дві технологічні ланки: виробництво глинозему, яке знаходиться в країнах, що видобувають боксити, та електромістке виробництво алюмінію, яке зо­середжене переважно в економічно розвинутих країнах біля великих електро­станцій. Хімічна промисловість — найбільш динамічна галузь системи виробництва конструкційних матеріалів. Всі провідні країни світу інтенсивно розвивають ви­робництво в цій галузі. Особливо помітне місце займають США (близько 1/5 світо­вого виробництва), Японія, Росія, ФРН (по 1/10), а також Китай, Великобри­танія, Франція, Італія, Україна. Хімічна промисловість — найбільш складна за структурою галузь. Тут розрізняються підгалузі: виробництво напівпродуктів (основна хімія, хімія ор­ганічного синтезу) — базові (полімерних матеріалів, мінеральних добрив) — сировинні (гідрохімічні виробництва, нафтохімія, коксохімія, лісохімія тощо) — переробні (ви­робництво фарб, лаків, фармацевтичних виробів, фототоварів, побутових хімікатів та ін.). В перспективі все більшого значення набуватимуть біотехнологічні вироб­ництва. Сучасні структурні зміни полягають у підвищенні частки наукоємних ви­робництв органічної хімії, пластмас, фармацевтичних препаратів та переробних і базових підгалузей і зменшення частки виробництв, що переробляють сировину і виготовляють напівпродукти. Для хімічної промисловості характерні висока вартість устаткування, енерго та водомісткість. Тому географія її дуже складна. Орієнтацію на місцеву сировину мають тільки гірничохімічні виробництва, всі інші (з-поміж яких переважають виробництва органічної хімії, що використовують нафту та газ як джерело вуглеводнів) не завжди залежать від місцевих ресурсів первинної сировини. Вирішальну роль відіграє чинник можливості комбінування виробництва, утворення складних технологічних поєднань, що спираються на сировинні та енергетичні бази, нафтота газохімічні комбінати. Водночас загострення енергетичної кризи й екологічних проблем штовхає підприємців до пошуку можливостей розміщення «брудних» хімічних виробництв у країнах, що розвиваються. Тому частка країн, що розвиваються, в хімічному виробництві постійно зростає.

Дорогоцінні, кольорові і рідкісні метали.

Золото і срібло геологи відкрили у Мужіївському золотополіметалічному родовищі (Берегівський р-н) і в золоторудному родовищі Сауляк (Рахівський р-н). Запаси першого затверджені у 1990 р. і розробляються з 1999 р. у Мужіївському руднику потужністю 60 тис. тонн руди на рік, яка переробляється тут же на збагачувальній фабриці. Остання має вдвічі більшу потужність, що дасть можливість збільшити видобуток золота по мірі збільшення потужностей добування сировини. Геологи Закарпатської геологорозвідувальної експедиції ведуть пошуки в цих же районах і вказують на можливість відкриття ще 2−3 родовищ. За створення мінерально-сировинної бази золоторудної промисловості фахівці цієї експедиції, а саме: М. Гожик, В. Шклянка, М. Постоєнко удостоєні Державної премії України. В Україні, окрім двох родовищ золота в Закарпатській області, відомо також про два родовища в Луганській області. Золото є світовим мірилом фінансової спроможності держави, тому ця галузь є стратегічною. Геологи нині ведуть пошукові роботи в перспективних місцях. Запасів Мужіївського родовища вистачить при нинішніх потужностях видобутку на десятки років з урахуванням перспектив розширення запасів золоторудного родовища Сауляк. Недоліком розробки Мужіївського родовища на даному етапі слід вважати те, що на об'єкті накопичується хвостосховище використаної руди, у якій залишається 20−25% золота і багато інших цінних металів. Поліметалічна руда в родовищі містить свинець, золото, індій, телур, галій, германій, сурму, кобальт, барій, ртуть, селен, питома вага яких становить 32%. Золото в цій руді має в середньому вміст 5−6 грамів на тонну. Технологія, яка використовується, не дає змоги добути з руди всі цінні елементи. Тому хвостосховище залишається практично вторинним родовищем вище приведених елементів, у т.ч. недовилученого золота. Кольорові метали знайдено в вищезгаданому Мужіївському золото-поліметалічному родовищі (свинець, цинк), яке експлуатується, а також у Берегівському свинцево-цинковому родовищі, яке ще не розробляється. Сумарні запаси в цих родовищах складають по свинцю — 301 тис. тонн, по цинку — 694 тис. тонн.

Рідкісні метали, а саме ртуть і алуніт (з якого одержують глинозем і металічний алюміній) відкрито в 4-ох родовищах кіноварі по ртуті (поблизу с. Дубриничі і с. Тур’я Бистра Перечинського р-ну, с. Вишково Хустського р-ну) і в 2 родовищах алунітової руди (Берегівському і Біганському). Запаси ртуті складають 134 тонни, а запаси алунітів оцінюються у понад 300 млн. тонн. Всі ці родовища не експлуатуються. Раніше експлуатувалось одне з родовищ поблизу с. Вишково. Зараз там залишилась гора-хвостосховище із певним вмістом ртуті. Крім цього, в межах Закарпатської рудної провінції виявлено перспективні ділянки на германій. Горючі корисні копалини представлені у Закарпатті трьома родовищами бурого вугілля (Ільницьке, Лохівське та Кривське). Розвідано також родовище германієвовмісних легнітів (Біганське) і 4 родовища газу (Солотвинське — 352 млн. м3, Русько-Комарівське — 2044 млн. м3, Королівське і Станівське — 217 млн. м3). Загальні запаси бурого вугілля і лігнітів складають 39 млн. тонн. Вміст германію в лігнітах складає в середньому 182 г/тонну. Це єдине на Україні розвідане родовище цього надзвичайно важливого для різних галузей промисловості напівпровідникового матеріалу. Із родовищ бурого вугілля видобуток ведеться тільки на Ільницькому родовищі відкритою розробкою. Солотвинське і Русько-Комарівське газові родовища експлуатуються, а інші готуються до дослідно-промислового використання.

Гірничохімічні корисні копалини представлені в області наступними родовищами.

1. Солотвинським родовищем кам’яної солі з затвердженими запасами понад 347 млн. тонн. Річний видобуток на двох діючих шахтах (із 9) може сягати близько 900 тис. тонн. Однак в останні роки обсяги добування суттєво скоротилися і становлять близько 200 тис. тонн кухонної солі, яка експортується і в інші країни. Відомі також ще родовища цієї сировини (Тереблянське та Олександрівське) і понад 30 пунктів солепроявів (Олександрівське, Боронянське та інші). 2. Двома родовищами сировини для вапнування кислих ґрунтів (Новоселицьким родовищем мергелю — 8430 тис. тонн і Свалявським родовищем вапняку — 391 тис. тонн). 3. Родовищем бариту. Це Біганське барито-свинцево-цинкове родовище з розвіданими запасами 5,7 млн. тонн руди і вмістом бариту 34%. Барит — це надзвичайно цінна сировина для виготовлення бурильних розчинів, для хімічної промисловості, медицини. Родовище готується до промислового освоєння. 4. Шістьма родовищами білих і забарвлених глин для виробництва мінеральних фарб. Експлуатуються тільки два з них, а саме: Оноцьке родовище білих глин (Виноградівський р-н), в якому добувається сировина для виготовлення кахельних камінів та Малоком’ятське родовище забарвлених глин, де виготовляється мінеральна фарба і кахель. Гірничорудні корисні копалини представлені родовищами каоліну, польовошпатової сировини, цеолітів і бентонітової глини. З родовищ каоліну експлуатуються Дубриницьке і Берегівське з запасами 74 тис. тонн і 4,3 млн. тонн, відповідно. Берегівський каолін має високий ступінь білизни і придатний для виготовлення високохудожнього фарфору і фаянсу. Сокирнянське родовище цеоліту (Хустський р-н) є одним із найбільших у світі за запасами високоякісної сировини (130 млн. тонн), яка знаходить широке застосування в багатьох галузях промисловості. Виявлено три сорти цеолітових порід з різним вмістом клиноптиноліту, тобто мінералу з пористою розгалуженою структурою, яка визначає його унікальні сорбційні властивості. Відомі також ще два родовища поблизу с. Липча у Хустському р-ні і с. Водиця у Тячівському р-ні з прогнозним запасом 5,4 млрд. тонн. Бентоніти виявлені в трьох родовищах (Вишківському, Горбківському і Ільницькому) із загальними запасами 7,6 млн. тонн. З них експлуатується тільки Горбківське родовище. Обсяг видобутку щорічно збільшується, в 2001 р. — 3,1 тис. м3. Це дуже цінна сировина, потреби в якій в чорній металургії, ливарному виробництві, буровій справі, землеробстві і тваринництві нескінченні. В активованому виді бентоніти використовують як природні сорбенти (наприклад, для очищення нафтопродуктів) і каталізатори (наприклад, в крекінг процесі спиртів). Нерудні копалини виявлені в Кузинському родовищі доломітів (поблизу с. Ділове Рахівського р-ну) з запасами 56,6 млн. тонн високоякісної сировини. Вона використовується як вогнетривкий матеріал в чорній металургії,.

може бути використана також у скляній і фарфорово-фаянсовій промисловості.

Будівельні корисні копалини представлені у Закарпатті надзвичайно широкою гамою різних родовищ, з яких відносно багато розробляється. Значна частина цінних будівельних корисних копалин повністю (100%) знаходиться у Закарпатті. Це:

• кляна сировина (ліпарит — 20,7 млн. тонн);

• блицювальні матеріали з каменю (доломіт мармуризований — 3,0 млн. м3, туф — 7,8 млн. м3, андезит — 2,6 млн. м3, ліпарит — 0,5 млн. м);

• удівельний камінь (андезит — 164,3 млн. м3, вапняк — 0,2 млн. м3, доломіт — 0,8 млн. м3, пісковик — 4,7 млн. м3, перлітова сировина — 48,0 млн. м3).