Ток в металите и полупроводниците

Ток в металите

1. Какво представлява електричният ток в металите?

   • Насочено движение на положителни йони
   • Движение на протони
   • Насочено движение на свободни електрони
   • Хаотично движение на атомите

   Отговор: Насочено движение на свободни електрони

   В металите валентните електрони са свободни и под действие на електричното поле се движат насочено.

2. Кои частици изграждат кристалната решетка на металите?

   • Отрицателни йони
   • Неутрални молекули
   • Положителни йони
   • Протони и неутрони

   Отговор: Положителни йони

   Металът е решетка от положителни йони, между които се движат свободни електрони.

3. Какъв е знакът на заряда на свободните електрони в металите?

   • Положителен
   • Отрицателен
   • Нямат заряд
   • Променлив

   Отговор: Отрицателен

   Електронът има отрицателен елементарен заряд.

4. Как се изменя съпротивлението на метален проводник при повишаване на температурата?

   • Нараства
   • Намалява
   • Не се променя
   • Става нула

   Отговор: Нараства

   Йоните в решетката трептят по-силно и пречат повече на движението на електроните.

5. Кой метал най-често се използва за проводници в домашната електроинсталация?

   • Мед
   • Желязо
   • Олово
   • Волфрам

   Отговор: Мед

   Медта има малко специфично съпротивление и не е скъпа като среброто.

6. От кой метал се прави жичката на лампите с нажежаема жичка?

   • Мед
   • Алуминий
   • Желязо
   • Волфрам

   Отговор: Волфрам

   Волфрамът има много висока температура на топене (около 3400 °C).

7. Какво е свръхпроводимост?

   • Много голяма проводимост при висока температура
   • Провеждане на ток само в една посока
   • Рязко нарастване на съпротивлението при охлаждане
   • Изчезване на съпротивлението под определена (критична) температура

   Отговор: Изчезване на съпротивлението под определена (критична) температура

   При охлаждане под критичната температура съпротивлението на някои вещества става нула.

8. Защо металният проводник се нагрява, когато през него тече ток?

   • Йоните се движат заедно с електроните
   • Протоните излизат от ядрата
   • Въздухът около проводника се нагрява първи
   • Електроните се сблъскват с йоните на решетката и им предават енергия

   Отговор: Електроните се сблъскват с йоните на решетката и им предават енергия

   При сблъсъците трептенията на йоните се усилват, а това е по-висока температура.

9. Кой лек метал често се използва за проводниците на далекопроводите?

   • Алуминий
   • Олово
   • Злато
   • Живак

   Отговор: Алуминий

   Алуминият провежда добре тока и има малка плътност, затова проводниците са леки.

10. Кой учен открива свръхпроводимостта през 1911 г.?

    • Георг Ом
    • Хейке Камерлинг-Онес
    • Майкъл Фарадей
    • Джеймс Джаул

    Отговор: Хейке Камерлинг-Онес

    Нидерландският физик Камерлинг-Онес открива, че живакът губи съпротивлението си при около 4 K.

11. Кой уред използва зависимостта на съпротивлението на метал от температурата?

    • Амперметърът
    • Съпротивителният термометър
    • Галваничният елемент
    • Електромагнитът

    Отговор: Съпротивителният термометър

    По измереното съпротивление на платинова или медна жица се определя температурата.

12. Как зависи съпротивлението на метален проводник от дължината и сечението му?

    • Обратно пропорционално на дължината и пропорционално на сечението
    • Не зависи от тях
    • Пропорционално на дължината и обратно пропорционално на сечението
    • Пропорционално и на двете

    Отговор: Пропорционално на дължината и обратно пропорционално на сечението

    R = ρl/S: по-дълъг проводник има по-голямо, а по-дебел по-малко съпротивление.

13. Къде се използват свръхпроводниците днес?

    • В нагревателите на ютиите
    • В мощни електромагнити, например в ЯМР скенерите и ускорителите
    • В стопяемите предпазители
    • В обикновените лампи с нажежаема жичка

    Отговор: В мощни електромагнити, например в ЯМР скенерите и ускорителите

    Свръхпроводящите намотки пропускат огромни токове без загуби и създават много силно магнитно поле.

14. Как се сравнява скоростта на насоченото движение на електроните в проводник със скоростта, с която се разпространява електричното поле?

    • Двете скорости са равни
    • Електроните се движат много бавно (части от mm/s), а полето почти със скоростта на светлината
    • Електроните се движат по-бързо от полето
    • Електроните се движат със скоростта на светлината

    Отговор: Електроните се движат много бавно (части от mm/s), а полето почти със скоростта на светлината

    Затова лампата светва веднага: полето задвижва едновременно електроните по цялата верига.

15. Медна жица се изтегля до двойно по-голяма дължина, като обемът ѝ се запазва. Как се изменя съпротивлението ѝ?

    • Нараства 2 пъти
    • Нараства 4 пъти
    • Не се изменя
    • Намалява 2 пъти

    Отговор: Нараства 4 пъти

    Дължината се удвоява, а сечението намалява 2 пъти, затова R = ρl/S нараства 2 · 2 = 4 пъти.

Полупроводници

1. Кой химичен елемент е основата на съвременните микрочипове?

   • Мед
   • Алуминий
   • Желязо
   • Силиций

   Отговор: Силиций

   Силицият е най-използваният полупроводник в електрониката.

2. Кой от изброените елементи е полупроводник?

   • Мед
   • Алуминий
   • Сребро
   • Германий

   Отговор: Германий

   Германият, като силиция, е полупроводник; останалите са метали.

3. Как се нарича проводимостта на чист полупроводник без примеси?

   • Примесна
   • Донорна
   • Йонна
   • Собствена

   Отговор: Собствена

   Проводимостта, дължаща се на собствените електрони и дупки на кристала, се нарича собствена.

4. Как се изменя съпротивлението на полупроводник при осветяване?

   • Нараства
   • Не се променя
   • Става безкрайно голямо
   • Намалява

   Отговор: Намалява

   Светлината освобождава електрони и се образуват нови носители на тока.

5. Между кои вещества по проводимост се намират полупроводниците?

   • Между проводниците и изолаторите
   • Между металите и свръхпроводниците
   • Между газовете и течностите
   • Над металите

   Отговор: Между проводниците и изолаторите

   Те провеждат по-зле от металите, но много по-добре от изолаторите.

6. В коя група на периодичната система са силицият и германият?

   • IV А група
   • I А група
   • VII А група
   • VIII А група

   Отговор: IV А група

   Силицият и германият са в IV А (14) група и имат по 4 валентни електрона.

7. Как се нарича незаетото място в ковалентна връзка, останало след освобождаването на електрон?

   • Йон
   • Протон
   • Дупка
   • Донор

   Отговор: Дупка

   Дупката се държи като положителен носител на заряда.

8. Каква връзка свързва атомите в кристала на силиция?

   • Йонна
   • Метална
   • Ковалентна
   • Водородна

   Отговор: Ковалентна

   Всеки атом образува 4 ковалентни връзки със съседите си чрез общи електронни двойки.

9. Как се държи чист силиций при температура, близка до абсолютната нула?

   • Като метал
   • Като свръхпроводник
   • Като изолатор
   • Като електролит

   Отговор: Като изолатор

   Тогава всички валентни електрони са във връзки и почти няма свободни носители.

10. Какви са носителите на тока в чист (собствен) полупроводник?

    • Електрони и дупки в равен брой
    • Само електрони
    • Само дупки
    • Положителни и отрицателни йони

    Отговор: Електрони и дупки в равен брой

    Всеки освободен електрон оставя след себе си една дупка.

11. Какъв заряд има дупката в полупроводника?

    • Отрицателен
    • Нулев
    • Положителен, равен по големина на заряда на електрона
    • Положителен, равен на заряда на ядрото

    Отговор: Положителен, равен по големина на заряда на електрона

    Липсващият електрон оставя некомпенсиран положителен заряд e.

12. Накъде се движат дупките в полупроводник, към който е приложено напрежение?

    • Към положителния полюс
    • Към отрицателния полюс
    • Не се движат
    • Хаотично, без преобладаваща посока

    Отговор: Към отрицателния полюс

    Дупките се държат като положителни заряди и се движат по посоката на полето, към отрицателния полюс.

13. Защо при нагряване проводимостта на полупроводника нараства, а на метала намалява?

    • В полупроводника изчезва кристалната решетка
    • В полупроводника рязко нараства броят на свободните носители
    • Металите губят свободните си електрони
    • Полупроводникът се превръща в метал

    Отговор: В полупроводника рязко нараства броят на свободните носители

    В полупроводника топлината освобождава много нови електрони и дупки, а в метала броят на свободните електрони почти не се променя.

14. Какво е рекомбинация в полупроводник?

    • Свободен електрон запълва дупка и двата носителя изчезват
    • Атом губи електрон и се появява дупка
    • Примес отдава електрон
    • Кристалът се разтопява

    Отговор: Свободен електрон запълва дупка и двата носителя изчезват

    Рекомбинацията е обратният процес на образуването на двойка електрон-дупка.

15. Защо силицият за микрочипове се пречиства до чистота около 99,9999999%?

    • За да е по-лек
    • За да е по-евтин
    • За да не ръждясва
    • Защото дори нищожни примеси силно променят проводимостта му

    Отговор: Защото дори нищожни примеси силно променят проводимостта му

    Проводимостта на полупроводника силно зависи от примесите, затова те трябва да се добавят точно контролирано.

Донори и акцептори

1. Как се нарича примес, която отдава електрони на полупроводника?

   • Акцепторна
   • Собствена
   • Донорна
   • Изолираща

   Отговор: Донорна

   Донор означава даряващ: примесният атом дава свободен електрон.

2. Как се нарича полупроводник с донорна примес?

   • p-тип
   • Собствен
   • Свръхпроводник
   • n-тип

   Отговор: n-тип

   Донорите дават свободни електрони (отрицателни, negative), затова типът е n.

3. Как се нарича примес, която приема електрони от атомите на полупроводника?

   • Акцепторна
   • Донорна
   • Собствена
   • Неутрална

   Отговор: Акцепторна

   Акцептор означава приемащ: тя приема електрони и създава дупки.

4. Кои са основните носители на тока в полупроводник от p-тип?

   • Дупките
   • Електроните
   • Йоните
   • Протоните

   Отговор: Дупките

   p идва от positive: основните носители са положителните дупки.

5. Кои са неосновните носители в полупроводник от n-тип?

   • Електроните
   • Дупките
   • Положителните йони
   • Протоните

   Отговор: Дупките

   В n-тип основни са електроните, а малкото дупки са неосновни носители.

6. Кои са основните носители на тока в полупроводник от n-тип?

   • Дупките
   • Положителните йони
   • Електроните
   • Протоните

   Отговор: Електроните

   Донорната примес дава допълнителни свободни електрони, които са основните носители.

7. Колко валентни електрона има атомът на силиция?

   • 3
   • 4
   • 5
   • 2

   Отговор: 4

   Силицият е в IVA група и образува 4 ковалентни връзки със съседните атоми.

8. Колко валентни електрона има атомът на бора?

   • 4
   • 3
   • 5
   • 2

   Отговор: 3

   Борът е в III група, затова не му стига един електрон за 4-те връзки със силиция.

9. Кой от елементите е акцептор, ако се добави като примес в силиций?

   • Фосфор
   • Арсен
   • Антимон
   • Галий

   Отговор: Галий

   Галият има 3 валентни електрона и при свързване в кристала оставя дупка.

10. Коя примес в силиций създава проводимост от p-тип?

    • Фосфор
    • Арсен
    • Антимон
    • Бор

    Отговор: Бор

    Борът има 3 валентни електрона; липсващата връзка образува дупка. Фосфорът, арсенът и антимонът са донори.

11. Кой от елементите е донор, ако се добави като примес в силиций?

    • Бор
    • Галий
    • Индий
    • Арсен

    Отговор: Арсен

    Арсенът има 5 валентни електрона, а борът, галият и индият имат по 3 и са акцептори.

12. Какъв заряд има атомът на донора в кристала, след като отдаде своя електрон?

    • Отрицателен
    • Положителен
    • Нулев
    • Променлив

    Отговор: Положителен

    Атомът загубва електрон и става неподвижен положителен йон.

13. Защо фосфорът е донор в силиций?

    • Има 3 валентни електрона и образува дупка
    • Той е метал с много свободни електрони
    • Има 5 валентни електрона: 4 участват във връзки, а един остава свободен
    • Отнема електрони от атомите на силиция

    Отговор: Има 5 валентни електрона: 4 участват във връзки, а един остава свободен

    Петият валентен електрон на фосфора е слабо свързан и лесно става свободен.

14. Какъв е общият заряд на полупроводник от n-тип?

    • Той е електрически неутрален
    • Отрицателен
    • Положителен
    • Зависи от температурата

    Отговор: Той е електрически неутрален

    Всеки свободен електрон е от донорен атом, който става положителен йон, и зарядите се компенсират.

15. Какъв е полупроводник, в който има еднакъв брой донорни и акцепторни атоми?

    • Почти като чист (компенсиран)
    • Силно изразен n-тип
    • Силно изразен p-тип
    • Свръхпроводник

    Отговор: Почти като чист (компенсиран)

    Електроните от донорите запълват дупките от акцепторите и действията им взаимно се компенсират.

p-n преход. Диод

1. Какво е p-n преход?

   • Проводник между два метала
   • Свръхпроводящ слой
   • Изолатор между два резистора
   • Граничната област между полупроводници от p- и n-тип

   Отговор: Граничната област между полупроводници от p- и n-тип

   Той се образува, когато в един кристал се създадат области с p- и n-проводимост.

2. Колко p-n прехода има обикновеният полупроводников диод?

   • Два
   • Три
   • Един
   • Нито един

   Отговор: Един

   Диодът е кристал с една p-област и една n-област.

3. Как се означава диодът на електрическа схема?

   • Кръг с кръстче
   • Правоъгълник
   • Триъгълник (стрелка), допрян до черта
   • Две успоредни черти

   Отговор: Триъгълник (стрелка), допрян до черта

   Стрелката показва посоката, в която диодът пропуска тока.

4. Кога диодът е включен в права (пропускаща) посока?

   • Когато p-областта е към −, а n-областта към +
   • Когато p-областта е към +, а n-областта към − на източника
   • Когато двете области са към +
   • Посоката на свързване няма значение

   Отговор: Когато p-областта е към +, а n-областта към − на източника

   Тогава основните носители се движат към прехода, запиращият слой се стеснява и тече ток.

5. Какво е основното свойство на полупроводниковия диод?

   • Усилва сигналите
   • Съхранява заряд
   • Пропуска тока само в една посока
   • Увеличава напрежението

   Отговор: Пропуска тока само в една посока

   В права посока съпротивлението е малко, а в обратна е много голямо.

6. Как се нарича включването на диода, при което той почти не пропуска ток?

   • Права посока
   • Обратна (запираща) посока
   • Успоредно включване
   • Късо съединение

   Отговор: Обратна (запираща) посока

   При обратна посока запиращият слой се разширява и токът е много малък.

7. Как се нарича устройството, което с помощта на диоди превръща променливия ток в еднопосочен?

   • Токоизправител
   • Трансформатор
   • Усилвател
   • Генератор

   Отговор: Токоизправител

   Диодите пропускат само полупериодите с една посока на тока.

8. Какво става със запиращия слой, когато диодът е включен в обратна посока?

   • Разширява се
   • Изчезва
   • Стеснява се
   • Не се променя

   Отговор: Разширява се

   Външното поле отдалечава основните носители от границата и слоят без носители става по-широк.

9. Какво почти липсва в запиращия слой на p-n прехода?

   • Свободни носители на ток
   • Атоми на силиция
   • Кристална решетка
   • Примесни атоми

   Отговор: Свободни носители на ток

   Електроните и дупките там са рекомбинирали и слоят се държи като изолатор.

10. Как се образува запиращият слой в p-n прехода?

    • Електрони и дупки дифундират през границата и се рекомбинират
    • Атомите на примесите се изпаряват
    • Металните контакти се стопяват
    • Токът разрушава кристала

    Отговор: Електрони и дупки дифундират през границата и се рекомбинират

    В граничната област почти не остават свободни носители и тя има голямо съпротивление.

11. Какъв ток се получава след изправител с един диод?

    • Постоянен ток без пулсации
    • Променлив ток с двойна честота
    • Ток няма
    • Пулсиращ еднопосочен ток

    Отговор: Пулсиращ еднопосочен ток

    Диодът пропуска само единия полупериод и спира другия.

12. Какво става, ако към диод се приложи много голямо обратно напрежение?

    • Диодът става свръхпроводник
    • Нищо не се променя
    • Токът изчезва напълно
    • Настъпва пробив и обратният ток рязко нараства

    Отговор: Настъпва пробив и обратният ток рязко нараства

    Над определено напрежение настъпва пробив на p-n прехода.

13. Диод в права посока е свързан последователно с лампа и батерия. Какво става, ако обърнем батерията?

    • Светва по-силно
    • Свети със същата яркост
    • Свети по-слабо, но свети
    • Лампата угасва

    Отговор: Лампата угасва

    Диодът вече е в обратна посока и практически не пропуска ток.

14. Какво е предимството на мостовия изправител с четири диода пред изправителя с един диод?

    • Не се нуждае от източник
    • Използва и двата полупериода на променливия ток
    • Дава по-високо напрежение от входното
    • Превръща еднопосочния ток в променлив

    Отговор: Използва и двата полупериода на променливия ток

    Диодите насочват тока през консуматора в една посока и в двата полупериода.

15. Приблизително от какво напрежение силициевият диод в права посока започва да пропуска забележим ток?

    • 0,06 V
    • 0,6-0,7 V
    • 6 V
    • 60 V

    Отговор: 0,6-0,7 V

    Под около 0,6 V токът е много малък, а след това нараства рязко.

Приложения

1. Кой полупроводников елемент излъчва светлина, когато през него тече ток в права посока?

   • Светодиод
   • Фоторезистор
   • Термистор
   • Реостат

   Отговор: Светодиод

   В p-n прехода на светодиода енергията при рекомбинацията се излъчва като светлина.

2. Кое устройство превръща слънчевата светлина направо в електрична енергия?

   • Термистор
   • Фотоелемент (слънчева клетка)
   • Реостат
   • Предпазител

   Отговор: Фотоелемент (слънчева клетка)

   Слънчевата клетка е голям p-n преход, в който светлината създава ток.

3. Какъв елемент има в дистанционното управление и излъчва невидима светлина?

   • Термистор
   • Фоторезистор
   • Инфрачервен светодиод
   • Предпазител

   Отговор: Инфрачервен светодиод

   Дистанционното изпраща сигналите с инфрачервена светлина от светодиод.

4. Кой елемент се използва като датчик за температура?

   • Термистор
   • Светодиод
   • Кондензатор
   • Предпазител

   Отговор: Термистор

   Съпротивлението на термистора силно зависи от температурата.

5. Как се нарича диодът, чийто обратен ток зависи от осветеността?

   • Светодиод
   • Термистор
   • Транзистор
   • Фотодиод

   Отговор: Фотодиод

   Светлината създава допълнителни носители в прехода на фотодиода.

6. Кое устройство в цифровия фотоапарат превръща светлината в електрични сигнали?

   • Светочувствителната матрица
   • Светодиодът
   • Термисторът
   • Предпазителят

   Отговор: Светочувствителната матрица

   Матрицата съдържа милиони светочувствителни полупроводникови елементи (пиксели).

7. Кой елемент може да включва автоматично уличното осветление при смрачаване?

   • Термистор
   • Фоторезистор
   • Диод
   • Нихромова спирала

   Отговор: Фоторезистор

   Съпротивлението му нараства на тъмно и това се използва за управление на ключа.

8. Какво предимство имат светодиодните лампи пред лампите с нажежаема жичка?

   • Дават същата светлина с много по-малко енергия
   • Светят само на променлив ток
   • Нагряват се много повече
   • Не съдържат полупроводници

   Отговор: Дават същата светлина с много по-малко енергия

   При тях много по-малка част от енергията се губи като топлина.

9. Как се наричат трите извода на биполярния транзистор?

   • Анод, катод, мрежа
   • Плюс, минус, нула
   • Вход, изход, земя
   • Емитер, база, колектор

   Отговор: Емитер, база, колектор

   Малък ток през базата управлява по-голям ток между емитера и колектора.

10. Кой полупроводников елемент има три извода и може да усилва електрични сигнали?

    • Диод
    • Термистор
    • Транзистор
    • Светодиод

    Отговор: Транзистор

    Малък ток в едната верига на транзистора управлява много по-голям ток в другата.

11. В кое устройство има милиарди транзистори в един чип?

    • Електрически звънец
    • Предпазител
    • Микропроцесор
    • Реостат

    Отговор: Микропроцесор

    Микропроцесорът е интегрална схема с огромен брой транзистори.

12. Как се изменя съпротивлението на обикновен полупроводников термистор при нагряване?

    • Нараства
    • Намалява
    • Не се изменя
    • Става нула

    Отговор: Намалява

    При нагряване в полупроводника се появяват повече свободни носители и съпротивлението намалява.

13. Какво е интегрална схема?

    • Верига от свръхпроводници
    • Голям резистор с много изводи
    • Много транзистори, диоди и резистори, изградени в един полупроводников кристал
    • Схема, начертана по стандарт

    Отговор: Много транзистори, диоди и резистори, изградени в един полупроводников кристал

    Интегралната схема (чип) обединява огромен брой елементи върху малко парче силиций.

14. Какво става в слънчевата клетка, когато я освети светлина?

    • Йоните на решетката се отделят и текат
    • Клетката се нагрява и жичката ѝ свети
    • Създават се двойки електрон-дупка, които полето на p-n прехода разделя
    • Светлината се отразява напълно

    Отговор: Създават се двойки електрон-дупка, които полето на p-n прехода разделя

    Разделените заряди се натрупват от двете страни на прехода и създават напрежение.

15. Как се нарича наблюдението, че броят на транзисторите в един чип се удвоява около всеки две години?

    • Закон на Ом
    • Закон на Джаул-Ленц
    • Закон на Мур
    • Закон на Кулон

    Отговор: Закон на Мур

    Гордън Мур формулира тази закономерност през 1965 г. (уточнена през 1975 г.).

Финален въпрос