• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Кристалофосфори

Правило Стокса

Правило Стокса формулюється так: Довжина хвилі люмінесцентного випромінювання завжди більша за довжину хвилі світла, що збурило його.

Рис. 30.2

Кристалофосфори – це ефективно люминесцующі штучно вирощені кристали з чужорідними домішками.

Фосфоресценція кристалофосфорів по зонній теорії

Домішкові рівні активатора розташовуються між валентною зоною і зоною провідності. Для виникнення тривалого свічіння кристалофосфор повинен містити центри захоплення, або пастки для електронів (Л₁, Л₂). Тривалість процесу визначається часом перебування електронів в пастках.

Рис. 30.3

2. Контакт електронного і діркового напівпровідників (р-п-перехід)

2.1. Електронно-дірковий перехід (р-п-перехід)

Границя стикання двох напівпровідників, один з яких має електронну, а другий – діркову провідність, називається електронно-дірковим переходом(р-п-переходом).Ці переходи мають велике практичне значення, оскільки вони лежать в основі роботи багатьох напівпровідникових приладів.

Перехід не можна здійснити просто механічним з'єднанням двох напівпровідників: його створюють або при вирощуванні кристалів, або при їх відповідній обробці. Наприклад, для отриманняр-п-переходу на кристал германію п-типунакладається індієва "таблетка" (рис. 31.1, а). Ця система нагрівається приблизно при 500 °С у вакуумі або в атмосфері інертного газу; атоми індія диффундують на деяку глибину в германій. Потім розплав поволі охолоджують. Оскільки германій, що містить індій, має діркову провідність, то на границі розплаву, що закристалізувався, і германію п-типу утворюється р-п-перехід (рис. 31.1, б).

Рис. 31.1

2.2. Фізичні процеси, що відбуваються в р-п-переході

Розглянемо фізичні процеси, що відбуваються в р-п-переході (рис. 31.2).

Електрони з п-напівпровідника, де їх концентрація вище, будуть дифундувати в р-напівпровідник, де їх концентрація нижче. Дифузія ж дірок відбувається у зворотному напрямі – у напрямі р п. В п-напівпровіднику через вихід електронів поблизу межі залишається некомпенсований позитивний об'ємний заряд нерухомих іонізованих донорних атомів. В р-напівпровіднику через вихід дірок поблизу межі утворюється негативний об'ємний заряд нерухомих іонізованих акцепторів (рис. 31.2). Ці об'ємні заряди утворюють поблизу границі подвійний електричний шар, поле якого, направлене від п-області до р-області, перешкоджає подальшому переходу електронів у напрямі п р і дірок у напрямі р п . Якщо концентрації донорів і акцепторів в напівпровідниках п- і р-типу однакові, то товщина шарів, в яких локалізуються нерухомі заряди, однакова.

Рис. 31.2

Провідність p-n-переходу

Товщина шару p-n-переходув напівпровідниках складає приблизно 10^-6 – 10^{-7 м, а контактна різниця потенціалів – десяті частки вольт. Носії струму здатні подолати таку різницю потенціалів лише за температури в декілька тисяч градусів, тобто за звичайних температур рівноважний контактний шар є замикаючим(характеризується підвищеним опором).}

Опір замикаючого шару можна змінити з допомогою зовнішньою електричного поля. Якщо прикладене до p-n-переходузовнішнє електричне поле направлено від n-напівпровідникадо р-напівпровідника (мал. а), тобто співпадає з полем контактного шару, то воно викликає рух електронів в n-напівпровіднику і дірок в p-напівпровіднику від межі p-n-переходу в протилежні сторони. В результаті замикаючий шар розшириться і його опір зросте.

Рис. 31.3

Напрям зовнішнього поля, що розширює замикаючий шар, називається замикаючим (зворотним). В цьому напрямі електричний струм через p-n-перехідпрактично не проходить. Струм в замикаючому шарі в замикаючому напрямі утворюється лише за рахунок неосновних носіїв струму (електронів в р-напівпровідникуі дірок в n-напівпровіднику).

Якщо прикладене до p-n-переходузовнішнє електричне поле направлено протилежно полю контактного шару (рис. 31.3,б), то воно викликає рух електронів в n-напівпровідникуі дірок в р-напівпровідникудо границі p-n-переходуназустріч один одному. В цій області вони рекомбінують, товщина контактного шару і його опір зменшуються. Отже, в цьому напрямі електричний струм проходить крізь p-n-перехідв напрямі від р-напівпровідникадо n-напівпровідника; цей напрям називається пропускним (прямим).

Таким чином, p-n-перехідмає односторонню (вентильну) провідність.

2.3. Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковий діод – це напівпровідниковий пристрій, що містить один p-n-перехід.

Точковий напівпровідниковий діод

Приклад: точковий германієвий діод(рис. 31.4). Тонка вольфрамова проволока 1 притискається до n-германію 2 вістрям, покритим алюмінієм. Якщо через діод в прямому напрямі пропустити короткочасний імпульс струму, то при цьому різко підвищується дифузія А1 в Ge і утворюється шар германію, збагаченого алюмінієм і такого, що має р-провідність. На границі цього шару утворюється p-n-перехід, якиймає високий коефіцієнт випрямляння.

Завдяки малій місткості контактного шару точкові діоди застосовуються як детектори (випрямлячі) високочастотних коливань аж до сантиметрового діапазону довжин хвиль.

Рис. 31.4 Рис. 31.5

Площинний напівпровідниковий діод

Приклад: площинний міднозакисний (купроксний) випрямляч(рис. 31.4). На мідну пластину за допомогою хімічної обробки нарощується шар закису міді Си₂О, який покривається шаром срібла. Срібний електрод служить тільки для ввімкнення випрямляча в електричне коло. Частина шару Сu₂О, яка прилягає до Сu і яка збагатилась нею, має електронну провідність, а частина шару Сu₂О, яка прилягає до Ag і яка збагатилась (в процесі виготовлення випрямляча) киснем, – дірковою провідністю. Таким чином, в товщі закису міді утворюється замикаючий шар з пропускним напрямом струму від Сu₂О до Сu (р п).

Поширеними є також селенові діоди і діоди на основі арсеніду галію і карбіду кремнію.

Розглянуті діоди мають ряд переваг порівняно з електронними лампами: малі габаритні розміри, високі ККД і термін служби, але дуже чутливі до температури (робочий інтервал від – 70 °С до +120 °С).

2.4. Напівпровідникові тріоди (транзистори)

p-n-переходи мають не тільки прекрасні випрямляючі властивості, але можуть бути використані також для підсилення, а якщо в схему ввести зворотний зв'язок, то і для генерації електричних коливань.

Прилади, призначені для цієї мети, отримали назву напівпровідникових тріодів, або транзисторів.Вони діляться на точковіі площинні, причому останні – більш потужні. Вони можуть бути типу р-п-р і п-р-п. Розглянемо для прикладу тріод типу р-п-р. Робочі "електроди" тріода, якими є база(середня частина транзистора), емітер і колектор(прилеглі до бази з обох боків області з іншим типом провідності), включаються в схему за допомогою невипрямляючих контактів металевих провідників.

Рис. 31.6

Між емітером і базою прикладається постійна зміщуюча напруга в прямому напрямі, а між базою і колектором – постійна зміщуюча напруга у зворотному напрямі. Усилювана змінна напруга подається на вхідний опір R_вх, а посилене – знімається з вихідного опору Двіх.

Протікання струму в ланцюзі емітера обумовлено в основному рухом дірок (вони є основними носіями струму) і супроводиться "уприскуванням" - інжекцією– в область бази. Що проникли в дірки диффундують у напрямку до колектора, причому при невеликій товщині бази значна частина інжектированих дірок досягає колектора. Тут дірки захоплюються полем, діючим усередині переходу (притягуються до негативно зарядженого колектора), унаслідок чого змінюється струм колектора. Отже, всяка зміна струму в ланцюзі емітера викликає зміну струму в ланцюзі колектора. Прикладаючи між емітером і базою змінну напругу, отримаємо в ланцюзі колектора змінний струм, а на вихідному опорі – змінна напруга. Величина посилення залежить від властивостей р-п-переходів опорів навантаженьі напруги батареї Б_к. Звичайно R_вих >> R_вх, тому R_вих значно перевищує вхідну напругу R_вх (посилення може досягати 10000). Оскільки потужність змінного струму, що виділяється в R_вих, може бути більше, ніж що витрачається в ланцюзі емітера, то транзистор дає і посилення потужності.

ЛЕКЦІЯ 31

2.3. Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковий діод – це напівпровідниковий пристрій, що містить один p-n-перехід.

Точковий напівпровідниковий діод

Приклад: точковий германієвий діод(рис. 31.4). Тонка вольфрамова проволока 1 притискається до n-германію 2 вістрям, покритим алюмінієм. Якщо через діод в прямому напрямі пропустити короткочасний імпульс струму, то при цьому різко підвищується дифузія А1 в Ge і утворюється шар германію, збагаченого алюмінієм і такого, що має р-провідність. На границі цього шару утворюється p-n-перехід, якиймає високий коефіцієнт випрямляння.

Завдяки малій місткості контактного шару точкові діоди застосовуються як детектори (випрямлячі) високочастотних коливань аж до сантиметрового діапазону довжин хвиль.

Рис. 31.4 Рис. 31.5

Площинний напівпровідниковий діод

Приклад: площинний міднозакисний (купроксний) випрямляч(рис. 31.4). На мідну пластину за допомогою хімічної обробки нарощується шар закису міді Си₂О, який покривається шаром срібла. Срібний електрод служить тільки для ввімкнення випрямляча в електричне коло. Частина шару Сu₂О, яка прилягає до Сu і яка збагатилась нею, має електронну провідність, а частина шару Сu₂О, яка прилягає до Ag і яка збагатилась (в процесі виготовлення випрямляча) киснем, – дірковою провідністю. Таким чином, в товщі закису міді утворюється замикаючий шар з пропускним напрямом струму від Сu₂О до Сu (р п).

Поширеними є також селенові діоди і діоди на основі арсеніду галію і карбіду кремнію.

Розглянуті діоди мають ряд переваг порівняно з електронними лампами: малі габаритні розміри, високі ККД і термін служби, але дуже чутливі до температури (робочий інтервал від – 70 °С до +120 °С).

2.4. Напівпровідникові тріоди (транзистори)

p-n-переходи мають не тільки прекрасні випрямляючі властивості, але можуть бути використані також для підсилення, а якщо в схему ввести зворотний зв'язок, то і для генерації електричних коливань.

Прилади, призначені для цієї мети, отримали назву напівпровідникових тріодів, або транзисторів.Вони діляться на точковіі площинні, причому останні – більш потужні. Вони можуть бути типу р-п-р і п-р-п. Розглянемо для прикладу тріод типу р-п-р. Робочі "електроди" тріода, якими є база(середня частина транзистора), емітер і колектор(прилеглі до бази з обох боків області з іншим типом провідності), включаються в схему за допомогою невипрямляючих контактів металевих провідників.

Рис. 31.6

Між емітером і базою прикладається постійна зміщуюча напруга в прямому напрямі, а між базою і колектором – постійна зміщуюча напруга у зворотному напрямі. Усилювана змінна напруга подається на вхідний опір R_вх, а посилене – знімається з вихідного опору Двіх.

Протікання струму в ланцюзі емітера обумовлено в основному рухом дірок (вони є основними носіями струму) і супроводиться "уприскуванням" - інжекцією– в область бази. Що проникли в дірки диффундують у напрямку до колектора, причому при невеликій товщині бази значна частина інжектированих дірок досягає колектора. Тут дірки захоплюються полем, діючим усередині переходу (притягуються до негативно зарядженого колектора), унаслідок чого змінюється струм колектора. Отже, всяка зміна струму в ланцюзі емітера викликає зміну струму в ланцюзі колектора. Прикладаючи між емітером і базою змінну напругу, отримаємо в ланцюзі колектора змінний струм, а на вихідному опорі – змінна напруга. Величина посилення залежить від властивостей р-п-переходів опорів навантаженьі напруги батареї Б_к. Звичайно R_вих >> R_вх, тому R_вих значно перевищує вхідну напругу R_вх (посилення може досягати 10000). Оскільки потужність змінного струму, що виділяється в R_вих, може бути більше, ніж що витрачається в ланцюзі емітера, то транзистор дає і посилення потужності.

ЛЕКЦІЯ 32

Контактні явища в металах

1. Робота виходу електронів з металу у вакуум

Вільні електрони при звичайних температурах, як показує досвід, практично не покидають метал, і таким чином в поверхневому шарі металу, який межує з вакуумом, має бути затримуюче електричне поле, яке перешкоджає виходу електронів з металу в оточуючий вакуум.

Робота, яку потрібно затрачувати для видалення електрона з металу у вакуум, називається роботою виходу.

Причини появи роботи виходу такі:

1. Якщо електрон із якоїсь причини видаляється з металу, то в тому місці, яке електрон покинув, виникає надмірний позитивний заряд і електрон притягується до індукованого ним самим позитивного заряду.

2. Окремі електрони, покидаючи метал, віддаляються від нього на відстані порядку атомних і створюють тим самим над поверхнею металу "електронну хмару", густина якої швидко зменшується з відстанню. Ця хмара разом із зовнішнім шаром позитивних іонів граток утворює подвійний електричний шар, поле якого подібне до поля плоского конденсатора. Товщина цього шару дорівнює декільком міжатомним відстаням (10^-10 – 10^-9 м). Цей шар не створює електричного поля в зовнішньому просторі, але перешкоджає виходу вільних електронів з металу.

Таким чином, електрон при вильоті з металу повинен подолати затримуюче його електричне поле подвійного шару. Різниця потенціалів в цьому шарі, яку називають поверхневим стрибком потенціалу, визначається роботою виходу (А)електрона з металу:

,

де е – заряд електрона.

Оскільки ззовні подвійного шару електричне поле відсутнє, то потенціал середовища дорівнює нулю, а усередині металу потенціал позитивний і дорівнює . Потенціальна енергія вільного електрона усередині металу дорівнює – ,і вона щодо вакууму є негативною. Виходячи з цього можна вважати, що весь об'єм металу для електронів провідності являє собою потенціальну яму з плоским дном, глибина якої дорівнює роботі виходу А.

Робота виходу виражається в електрон-вольтах (еВ): 1 еВ дорівнює роботі, що здійснюється силами поля при переміщенні елементарного електричного заряду (тобто заряду, що дорівнює заряду електрона) при проходженні ним різниці потенціалів в 1 В. Оскільки заряд електрона дорівнює 1,6·10^-19 Кл, то 1 еВ =1,6·10^-19 Дж.

Робота виходу залежить від хімічної природи металів і від чистоти їх поверхні і коливається в межах декількох електрон-вольт (наприклад, у калія А = 2,2 еВ, у платини А = 6,3 еВ). Підібравши певним чином покриття поверхні, можна значно зменшити роботу виходу. Наприклад, якщо нанести на поверхню вольфраму (А = 4,5 еВ) шар оксиду лужно-земельного металу (Са, Sr, Ва), то робота виходу знижується до 2 еВ.

2. Контакт двох металів по зонній теорії, контактна різниця потенціалів

Якщо два різні метали привести в зіткнення, то між ними виникає різниця потенціалів, яку називають контактною різницею потенціалів. При цьому в оточуючому метали просторі з'являється електричне поле.

Італійський фізик А. Вольта (1745—1827) встановив, що якщо метали А1, Zn, Sn, РЬ, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт у вказаній послідовності, то кожний попередній при зіткненні з одним із наступних металів зарядиться позитивно. Цей ряд називається рядом Вольта. Контактна різниця потенціалів для різних металів коливається від десятих до цілих вольт.

Вольта експериментально встановив два закони:

1. Контактна різниця потенціалів залежить лише від хімічного складу і температури дотичних металів.

2. Контактна різниця потенціалів послідовно з'єднаних різних провідників, що перебувають при однаковій температурі, не залежить від хімічного складу проміжних провідників і дорівнює контактній різниці потенціалів, що виникає при безпосередньому з'єднанні крайніх провідників.

Для пояснення виникнення контактної різниці потенціалів скористаємося представленнями зонної теорії. Розглянемо контакт двох металів з різними роботами виходу А₁ і А₂, тобто з різними положеннями рівня Фермі (верхнього заповненого електронами енергетичного рівня).

Якщо А₁ < А₂ (цей випадок показано на рис. 32.1, а), то рівень Фермі розміщується в металі 1 вище, ніж у металі 2. Отже, при контакті металів електрони з більш високих рівнів металу 1 переходитимуть на більш низькі рівні металу 2, що приведе до того, що метал 1 заряджатиметься позитивно, а метал 2 – негативно. Одночасно відбувається відносний зсув енергетичних рівнів: в металі, що заряджається позитивно, всі рівні зміщуються вниз, а в металі, що заряджається негативно, – вгору. Цей процес відбуватиметься доти, поки між металами, що торкаються один одного, не встановиться рівновага, яка, як доводиться в статистичній фізиці, характеризується збігом рівнів Фермі в обох металах (рис. 32.1, б).

Рис. 32.1

Оскільки для металів, що торкаються один одного, рівні Фермі співпадають, а роботи виходу А₁ і А₂ не змінюються (вони є константами металів і не залежать від того, перебувають метали в контакті чи ні), то потенціальна енергія електронів в точках, що лежать ззовні від металів в безпосередній близькості до їх поверхні (точки А і В на рис. 32.1, б), буде різною.

Отже, між точками А і В встановлюється різниця потенціалів, яка, як випливає з рисунка, дорівнює

.

Різниця потенціалів , яка зумовлена відмінністю робіт виходу контактуючих металів, називається зовнішньою контактною різницею потенціалів, або контактною різницею потенціалів.

Якщо рівні Фермі для двох контактуючих металів не однакові, то між внутрішніми точками металів спостерігається внутрішня контактна різниця потенціалів, яка, як випливає з рисунка, дорівнює

.

В квантовій теорії доводиться, що причиною виникнення внутрішньої контактної різниці потенціалів є відмінність концентрацій електронів в контактуючих металах. залежить від температури Т контакту металів (оскільки спостерігається залежність від T), яка зумовлює термоелектричні явища. Як правило, .

Зазначимо, що у разі приведення у зіткнення трьох різнорідних провідників, що мають однакову температуру, то різниця потенціалів між кінцями розімкненого кола дорівнюватиме алгебраїчній сумі стрибків потенціалу у всіх контактах і відповідно до другого закону Вольта не залежатиме від природи проміжних провідників.

Внутрішня контактна різниця потенціалів виникає в подвійному електричному шарі, що утворюється в приконтактній області і називається контактним шаром. Товщина контактного шару в металах становить приблизно 10^-10 м, тобто співмірна з міжвузельними відстанями в гратках металу. Число електронів, що беруть участь в дифузії через контактний шар, становить приблизно 2% від загального числа електронів, що знаходяться на поверхні металу. Таке незначне змінювання концентрації електронів в контактному шарі, з одного боку, і мала порівняно з довжиною вільного пробігу електрона його товщина – з іншого боку, не можуть привести до помітного змінювання провідності контактного шару порівняно з рештою частини металу. Отже, електричний струм через контакт двох металів проходить так само легко, як і через самі метали, тобто контактний шар проводить електричний струм в обох напрямах (1 2 і2 1) однаково і не дає ефекту випрямляння, який завжди пов'язаний з односторонньою провідністю.

3. Термоелектричні явища: Зеєбека, Пельтьє, Томсона та їх використання

Згідно з другим законом Вольта, в замкнутому колі, що складається з декількох металів, що перебувають при однаковій температурі, е. р. с. не виникає, тобто не відбувається збудження електричного струму. Проте, якщо температура контактів не однакова, то в колі виникає електричний струм, який називається термоелектричним.

Явище збудження термоелектричного струму (явище Зеєбека), а також тісно пов'язані з ним явища Пельтье і Томсона називаються термоелектричними явищами.

1. Явище Зеєбека (182 р.): в замкнутому колі, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими мають різну температуру, виникає електричний струм.

Розглянемо замкнуте коло, що складається з двох металевих провідників 1 і 2 з температурами спаїв T₁ (контакт А)і Т₂(контакт В), причому Т₁ > Т₂(рис. 32.2).

Рис. 32.2

Встановлено, що в замкнутому колі для багатьох пар металів (наприклад, Сu – Bi, Ag – Сu, Аu – Сu) е. р. с. прямо пропорційна різниці температур в контактах:

Ця е. р. с. називається термоелектрорушійною силою. Напрям струму при Т₁ > Т₂на рис. 32.2 показаний стрілкою. Термоелектрорушійна сила, наприклад для пари металів мідь – константан, для різниці температур 100 K становить всього 4,25 мВ.

Причину виникнення термоелектрорушійної сили видно вже з формули

,

що визначає внутрішню контактну різницю потенціалів на межі двох металів. Справа полягає в тому, що положення рівня Фермі залежить від температури. Тому, якщо температури контактів різні, то різними будуть і внутрішні контактні різниці потенціалів. Таким чином, сума стрибків потенціалу відмінна від нуля, що і приводить до виникнення термоелектричного струму. Відзначимо також, що при градієнті температури відбувається і дифузія електронів, яка теж обумовлює термо-е. р. с.

Явище Зеєбека не суперечить другому принципу термодинаміки, оскільки в даному випадку внутрішня енергія перетвориться в електричну, для чого використовується два джерела теплоти (два контакти). Отже, для підтримування постійного струму в колі, що розглядається, необхідно підтримувати постійність різниці температур контактів: до більш нагрітого контакту безперервно підводити теплоту, а від холодного – безперервно її відводити.

Явище Зєєбека використовується для вимірювання температури. Для цього застосовуються термоелементи, або термопари – датчики температур, що складаються з двох сполучених між собою різнорідних металевих провідників. Якщо контакти (звичайно спаї) провідників, що створюють термопару, перебувають при різних температурах, то в колі виникає термоелектрорушійна сила, яка залежить від різниці температур контактів і природи використовуваних матеріалів. Чутливість термопар буде вищою, якщо їх сполучити послідовно. Ці з'єднання називаються термобатареями (або термостовпчиками).

Термопари застосовуються як для вимірювання надмалих різниць температур, так і для вимірювання дуже високих і дуже низьких температур (наприклад, усередині доменних печей або рідких газів). Точність визначення температури за допомогою термопар складає, як правило, декілька кельвін, а у деяких термопар вона досягає 0,01 К.

Термопари мають ряд переваг порівняно зі звичайними термометрами, а саме: мають велику чутливість і малу інерційність, дозволяють проводити вимірювання в широкому інтервалі температур і допускають дистанційні вимірювання.

Явище Зєєбека у принципі може бути використано для генерації електричного струму. Так, вже зараз к.к.д. напівпровідникових термобатарей досягає приблизно 18 %. Отже, удосконалюючи напівпровідникові термоелектрогенератори, можна досягти ефективного прямого перетворення сонячної енергії в електричну.

2. Явище Пельтьє (1834 р.) полягає в тому, що при проходженні через контакт двох різних провідників електричного струму, залежно від його напряму, крім джоулевої теплоти, виділяється або поглинається додаткова теплота.

Таким чином, явище Пельтьє є оберненим відносно явища Зєєбека. На відміну від джоулевої теплоти, яка пропорційна квадрату сили струму, теплота Пельтьє пропорційна першому ступеню сили струму і змінює знак при зміні напряму струму.

Розглянемо замкнуте коло, що складається з двох різнорідних металевих провідників 1 і 2 (рис. 32.3), по яких пропускається струм (його напрям в даному випадку вибраний співпадаючим з напрямом термоструму (на рис. 32.2 за умови Т₁ > Т₂)). Згідно зі спостереженнями Пельтьє, спай А, який при явищі Зеєбека підтримувався б при більш високій температурі, тепер охолоджуватиметься, а спай В – нагріватиметься. При зміні напряму струму спай А нагріватиметься, а спай В – охолоджуватиметься.

Рис. 32.3

Пояснити явище Пельтьє можна таким чином. Електрони по різні боки спаю мають різну середню енергією (повну – кінетичну плюс потенціальну). Якщо електрони (напрям їх руху заданий на рис. 32.3 пунктирними стрілками) пройдуть через спай В і потраплять в область з меншоюенергією, то надлишок своєї енергії вони віддадуть кристалічним граткам, і спай нагріватиметься. В спаї А електрони переходять в областьз більшою енергією, забираючи тепер енергію, якої не вистачає, у кристалічних граток, і спай охолоджуватиметься.

Явище Пельтье використовується в термоелектричних напівпровідникових холодильниках.

3. Явище Томсона (1856 р.) полягає в тому, що при проходженні струму по нерівномірно нагрітому провіднику має відбуватися додаткове виділення (поглинання) теплоти, аналогічної теплоті Пельтьє.

Це явище можна пояснити таким чином. Оскільки в більш нагрітій частині провідника електрони мають більшу середню енергію, ніж в менш нагрітій, то, рухаючись у напрямі зменшення температури, вони віддають частину своєї енергії граткам, внаслідок чого відбувається виділення теплоти Томсона. Якщо ж електрони рухаються у бік зростання температури, то вони, навпаки, поповнюють свою енергію за рахунок енергії граток, внаслідок чого відбувається поглинання теплоти Томсона.

ЛЕКЦІЯ 33

Контакт електронного і діркового напівпровідників (р-п-перехід)

1. Електронно-дірковий перехід (р-п-перехід)

Границя стикання двох напівпровідників, один з яких має електронну, а другий – діркову провідність, називається електронно-дірковим переходом(р-п-переходом).Ці переходи мають велике практичне значення, оскільки вони лежать в основі роботи багатьох напівпровідникових приладів.

Перехід не можна здійснити просто механічним з'єднанням двох напівпровідників: його створюють або при вирощуванні кристалів, або при їх відповідній обробці. Наприклад, для отриманняр-п-переходу на кристал германію п-типунакладається індієва "таблетка" (рис. 33.1, а). Ця система нагрівається приблизно при 500 °С у вакуумі або в атмосфері інертного газу; атоми індія дифундують на деяку глибину в германій. Потім розплав поволі охолоджують. Оскільки германій, що містить індій, має діркову провідність, то на границі розплаву, що закристалізувався, і германію п-типу утворюється р-п-перехід (рис. 33.1, б).

Рис. 33.1

2. Фізичні процеси, що відбуваються в р-п-переході

Електрони з п-напівпровідника, де їх концентрація вище, будуть дифундувати в р-напівпровідник, де їх концентрація нижче. Дифузія ж дірок відбувається у зворотному напрямі – у напрямі р п. В п-напівпровіднику через вихід електронів поблизу межі залишається некомпенсований позитивний об'ємний заряд нерухомих іонізованих донорних атомів. В р-напівпровіднику через вихід дірок поблизу межі утворюється негативний об'ємний заряд нерухомих іонізованих акцепторів (рис. 33.2). Ці об'ємні заряди утворюють поблизу границі подвійний електричний шар, поле якого, направлене від п-області до р-області, перешкоджає подальшому переходу електронів у напрямі п р і дірок у напрямі р п . Якщо концентрації донорів і акцепторів в напівпровідниках п- і р-типу однакові, то товщина шарів, в яких локалізуються нерухомі заряди, однакова.

Рис. 33.2

Провідність p-n-переходу

Товщина шару p-n-переходув напівпровідниках складає приблизно 10^-6 – 10^-7 м, а контактна різниця потенціалів – десяті частки вольт. Носії струму здатні подолати таку різницю потенціалів лише за температури в декілька тисяч градусів, тобто за звичайних температур рівноважний контактний шар є замикаючим(характеризується підвищеним опором).

Опір замикаючого шару можна змінити з допомогою зовнішньою електричного поля. Якщо прикладене до p-n-переходузовнішнє електричне поле направлено від n-напівпровідникадо р-напівпровідника (рис. 33.3,а), тобто співпадає з полем контактного шару, то воно викликає рух електронів в n-напівпровіднику і дірок в p-напівпровіднику від межі p-n-переходу в протилежні сторони. В результаті замикаючий шар розшириться і його опір зросте.

Рис. 33.3

Напрям зовнішнього поля, що розширює замикаючий шар, називається замикаючим (зворотним). В цьому напрямі електричний струм через p-n-перехідпрактично не проходить. Струм в замикаючому шарі в замикаючому напрямі утворюється лише за рахунок неосновних носіїв струму (електронів в р-напівпровідникуі дірок в n-напівпровіднику).

Якщо прикладене до p-n-переходузовнішнє електричне поле направлено протилежно полю контактного шару (рис. 33.3,б), то воно викликає рух електронів в n-напівпровідникуі дірок в р-напівпровідникудо границі p-n-переходуназустріч один одному. В цій області вони рекомбінують, товщина контактного шару і його опір зменшуються. Отже, в цьому напрямі електричний струм проходить крізь p-n-перехідв напрямі від р-напівпровідникадо n-напівпровідника; цей напрям називається пропускним (прямим).

Таким чином, p-n-перехідмає односторонню (вентильну) провідність.

3. Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковий діод – це напівпровідниковий пристрій, що містить один p-n-перехід.

Точковий напівпровідниковий діод

Приклад: точковий германієвий діод(рис. 33.4). Тонка вольфрамова проволока 1 притискається до n-германію 2 вістрям, покритим алюмінієм. Якщо через діод в прямому напрямі пропустити короткочасний імпульс струму, то при цьому різко підвищується дифузія А1 в Ge і утворюється шар германію, збагаченого алюмінієм і такого, що має р-провідність. На границі цього шару утворюється p-n-перехід, якиймає високий коефіцієнт випрямляння.

Завдяки малій місткості контактного шару точкові діоди застосовуються як детектори (випрямлячі) високочастотних коливань аж до сантиметрового діапазону довжин хвиль.

Рис. 33.4 Рис. 33.5

Площинний напівпровідниковий діод

Приклад: площинний міднозакисний (купроксний) випрямляч(рис. 33.4). На мідну пластину за допомогою хімічної обробки нарощується шар закису міді Си₂О, який покривається шаром срібла. Срібний електрод служить тільки для ввімкнення випрямляча в електричне коло. Частина шару Сu₂О, яка прилягає до Сu і яка збагатилась нею, має електронну провідність, а частина шару Сu₂О, яка прилягає до Ag і яка збагатилась (в процесі виготовлення випрямляча) киснем, – дірковою провідністю. Таким чином, в товщі закису міді утворюється замикаючий шар з пропускним напрямом струму від Сu₂О до Сu (р п).

Поширеними є також селенові діоди і діоди на основі арсеніду галію і карбіду кремнію.

Розглянуті діоди мають ряд переваг порівняно з електронними лампами: малі габаритні розміри, високі ККД і термін служби, але дуже чутливі до температури (робочий інтервал від – 70 °С до +120 °С).

4. Напівпровідникові тріоди (транзистори)

p-n-переходи мають не лише прекрасні випрямляючі властивості, але можуть бути використані також для посилення, а якщо в схему ввести зворотний зв'язок, то і для генерації електричних коливань.

Прилади, призначені для цієї мети, отримали назву напівпровідникових тріодів, або транзисторів.Вони поділяються на точковіі площинні, причому останні – більш потужні. Вони можуть бути типу р-п-р і п-р-п.

Розглянемо для прикладу тріод типу р-п-р. Робочі "електроди" тріода, якими є база(середня частина транзистора), емітер і колектор(прилеглі до бази з обох боків області з іншим типом провідності), включаються в схему за допомогою невипрямляючих контактів – металевих провідників.

Рис. 33.6

Між емітером і базою прикладається постійна зміщуюча напруга в прямому напрямі, а між базою і колектором – постійна зміщуюча напруга у зворотному напрямі. Підсилювальна змінна напруга подається на вхідний опір R_вх, а посилена напруга – знімається з вихідного опору R_вих.

Протікання струму в ланцюзі емітера зумовлено в основному рухом дірок (вони є основними носіями струму) і супроводжується "уприскуванням" – інжекцією– в область бази. Дірки, що проникли, дифундують у напрямку до колектора, причому при невеликій товщині бази значна частина інжектованих дірок досягає колектора. Тут дірки захоплюються полем, діючим усередині переходу (притягуються до негативно зарядженого колектора), унаслідок чого змінюється струм колектора. Отже, всяка зміна струму в ланцюзі емітера викликає зміну струму в ланцюзі колектора.

Прикладаючи між емітером і базою змінну напругу, отримаємо в ланцюзі колектора змінний струм, а на вихідному опорі – змінну напругу. Величина підсилення залежить від властивостей p-n-переходів опорів навантаженьі напруги батареї Б_к. Зазвичай R_вих >> R_вх, тому U_вих значно перевищує вхідну напругу U_вх (підсилення може досягати 10 000). Оскільки потужність змінного струму, що виділяється в опорі R_вих, може бути більшою за потужність, що витрачається в ланцюзі емітера, то транзистор дає і посилення потужності.

Переглядів: 1109