21, 22 (Лекции кафедральные (PDF)), страница 2

Лекции 21-22.этом p-n-переходы, нагреваемые каким либо источником тепла, оказываются с одной стороныконструкции, а p-n-переходы, охлаждаемые обычно водой или потоком воздуха, - с другой.Полупроводниковые охладители. Принцип действия основан на поглощении энергии приобразовании пары электрон-дырка. Полупроводниковые холодильники широко применяются втехнике, когда надо создать миниатюрный легкий холодильник, например, в системах охлаждения датчиков инфракрасного излучения, полупроводниковых лазеров и т.д.6) Полупроводниковый транзистор. Если соединить три области полупроводника с разнымитипами основных носителей, то возможно создание прибора способного усиливать сигналы,токи и напряжения, так называемого полупроводникового транзистора.

В зависимости от того,как чередуются области, транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n.По сравнению с радиолампами транзисторы более компактны (сейчас транзисторы, входящие в состав микросхем, имеют размеры порядка микрометра, а одна микросхема содержитдо 106-108 транзисторов). Транзисторы прочны (так как не содержат сеток и стеклянных деталей), долговечны (так как не содержат сильно нагретых деталей) и технологичны (транзисторы,входящие в состав микросхем, производят напылением и отжигом сразу по 105-108 и болеештук).К недостаткам полупроводниковых транзисторов и других полупроводниковых приборовследует отнести их чувствительность к перегреву и, особенно, радиации. Поэтому устройства,предназначенные для работы в условиях сильной радиации, до сих пор иногда конструируют,используя радиолампы.В заключении отметим, что появление полупроводникового транзистора произвело самую большую техническую революцию в двадцатом веке, поскольку появилась возможностьсоздавать компактные и надежные элементы компьютеров и другой электронной техники, безкоторых жизнь в наше время оказалась бы просто немыслимой.

Важно заметить, что «родились» транзисторы в результате, казалось бы, очень далеких от практических нужд физическихисследований характеристик полупроводников - веществ, которые плохо проводят электрический ток и потому, как тогда принято было считать, не найдут широкого применения.Контакт металла и полупроводникаВ современных полупроводниковых приборах помимо контактов с электронно- дырочным переходом применяются также контакты между металлом и полупроводником.

Процессы втаких переходах зависят работы выхода электронов. Чем меньше работа выхода, тем большеэлектронов может выйти из данного тела. Рассмотрим процессы в различных метало- полупроводниковых переходах.1) Если в контакте металла с полупроводником n-типа работа выхода электронов из металла AMменьше, чем работа выхода из полупроводника AП, то будет преобладать выход электронов изметалла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные носители заряда (электроны). Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.Подобный же невыпрямляющий диод получается в контакте металла с полупроводникомp-типа, если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла. В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном направлении, и вприграничном слое полупроводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дырками), имеющая малое сопротивление.Оба типа невыпрямляющих контактов широко используются в полупроводниковых приборах при устройстве выводов от n- и p-областей.

Для этой цели подбирают соответствующиеметаллы.2) Если в контакте металла с полупроводником n-типа AП<AM, то электроны будут переходитьглавным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями, и поэтому имеющая большое сопротивление.4Семестр 4. Лекции 21-22.Здесь создается довольно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенноменяться в зависимости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает выпрямляющими свойствами.

Подобные переходы в свое время исследовал немецкий ученый В.Шотки и теперь барьеры в таких переходах именуются барьерами Шотки, а диоды с этим барьером - диодами Шотки. В диодах Шотки (в металле, куда приходят электроны из полупроводника) отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов неосновных носителей, характерные для p-n-переходов.

Поэтому диоды Шотки обладают значительно более высоким быстродействием, нежели обычные диоды, так как накопление и рассасывание зарядов - процессыинерционные, т. е. требуют времени.Аналогичными свойствами обладает контакт металла с полупроводником p-типа приAM<AП.Контакт двух проводников.При контакте двух проводников (металлов) также может появиться контактная разностьпотенциалов, вызванная разностью энергий Ферми. В металлах это приводит к возникновениютермодинамических явлений.Термоэлектрические явления, совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах (и полупроводниках).Термоэлектрическими явлениями являются эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает ЭДС (термо-ЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах.

В простейшем случае, когда электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термоэлементом, или термопарой. Величина термо-ЭДС зависит только оттемператур горячего T2 и холодного T1 контактов и от материала проводников. В небольшоминтервале температур термо-ЭДС можно считать пропорциональной разности температурε = α ⋅ (T2 – Т1 ) . Коэффициент α называется термоэлектрической способностью пары (термосилой, коэффициентом термо-ЭДС, или удельной термо-ЭДС).

Он определяется материаламипроводников, но зависит также от интервала температур; в некоторых случаях с изменениемтемпературы α меняет знак.Качественное объяснить явление возникновения термо-ЭДС можно следующим образом.При контакте двух металлов с разной энергией Ферми E1F > E2 F , электроны из области с большей энергией Ферми начнут переход в область с меньшей энергией до тех пор, пока энергияФерми на границе не примет одинаковые значения.

При этом электроны перенесут отрицательный электрический заряд, что вызовет появление электрического поля в области контакта, препятствующего движению электронов. Следовательно, в области контакта появится контактнаяE − E2 Fразность потенциалов U = 1F. Концентрации свободных электронов по обе стороны отeзоны контакта можно приближённо оценить через разность потенциалов соотношениемeU−kT n1n2 = n1e kT , поэтому U =ln . Рассматривая замкнутую цепь из двух проводников, контакen2ты которых находятся при разных температурах Т1 и Т2, получает суммарную термо-ЭДС цепиk n∆U = U 2 − U1 = ln 1 (T2 − T1 ) .e n2Термопары применяют для измерения температуры. Батареи термопар используют какисточники ЭДС для питания физических приборов.Эффект Пельтье обратен явлению Зеебека в следующем смысле. При протекании тока вцепи из различных проводников, в местах их контактов, в дополнение к теплоте по законуДжоуля- Ленца, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некотороеколичество теплоты Q, пропорциональное протекающему через контакт количеству электриче-5Семестр 4.

Лекции 21-22.ства (то есть силе тока I и времени t): Q= П⋅I⋅t. Коэффициент Пельтье П зависит от природы находящихся в контакте материалов и температуры.Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двухвеществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствоватьпрохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешнийисточник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов.

Необходимая дляэтого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контактаЭффект Томсона - одно из термоэлектрических явлений, заключающееся в том, что воднородном неравномерно нагретом проводнике с постоянным током, дополнительно к теплоте, выделяемой в соответствии с законом Джоуля - Ленца, в объёме проводника будет выделяться или поглощаться дополнительная теплота Томсона в зависимости от направления тока.Количество теплоты Томсона пропорционально силе тока, времени и перепаду температур, зависит от направления тока.Объяснение эффекта в первом приближении заключается в следующем.

Если вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, причём направлениетока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, то при переходе изболее горячего сечения в более холодное, электроны передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота), а при обратном направлении тока, проходя из более холодного участка в более горячий, пополняют свою энергию за счёт окружающих атомов (теплотапоглощается).Таким образом, причина всех термодинамических явлений - нарушение теплового равновесия в потоке носителей (то есть отличие средней энергии электронов в потоке от энергииФерми).

Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшениемконцентрации носителей; поэтому в полупроводниках они в десятки и сотни раз больше, чем вметаллах и сплавах.6.