14 (Лекции Лунева PDF), страница 2

Ток «отводят» от полупроводниковой пластины и от тонкого металлического покрытия. Такой элемент обеспечивает напряжение порядка долей вольта и ток порядка несколькихмиллиампер. Обычно элементы соединяют в батарею (солнечная батарея), используя последовательное и параллельное соединение элементов.Полупроводниковые тепловые элементы. Принцип работы полупроводниковых тепловыхэлементов полностью аналогичен работе полупроводниковых солнечных элементов с тем отличием, что в области p-n-перехода пары электрон - дырка образуются за счёт его нагрева.

Полу3Семестр 4. Лекции 14.проводниковые тепловые элементы обычно соединяют последовательно в батареи. При этомp-n-переходы, нагреваемые каким либо источником тепла, оказываются с одной стороны конструкции, 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 лёгкий 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 надёжные 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 далёких 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 от работы выхода электронов. Чем меньше работа выхода, тем большеэлектронов может выйти из данного тела. Рассмотрим процессы в различных металлополупроводниковых переходах.1) Если в контакте металла с полупроводником n-типа работа выхода электронов из металла AM меньше, чем работа выхода из полупроводника AП, то будет преобладать выход электронов из металла 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, обогащённая 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 переходить главным образом из полупроводника в металл, и в приграничном слое полупроводника4Семестр 4. Лекции 14.образуется область, обеднённая основными носителями, и поэтому имеющая большое сопротивление. Здесь создается довольно высокий потенциальный барьер, высота которого будетсущественно меняться в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Такой переходобладает выпрямляющими свойствами. Подобные переходы в свое время исследовал немецкий ученый В. Шоттки, и теперь барьеры в таких переходах именуются барьерами Шоттки, адиоды с этим барьером - диодами Шоттки. В диодах Шоттки (в металле, куда приходят электроны из полупроводника) отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов неосновных носителей, характерные для p-n-переходов. Поэтому диоды Шоттки обладают значительноболее высоким быстродействием, нежели обычные диоды, так как накопление и рассасываниезарядов - процессы инерционные, 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 температур    T2 – Т1  . Коэффициент  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  меняет знак.Качественно 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, получают суммарную термо-ЭДС цепи:k 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 токав цепи 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 электриче5Семестр 4. Лекции 14.ства (то есть силе тока I и времени t): Q= ПIt. Коэффициент Пельтье П зависит от природынаходящихся в контакте материалов и температуры.Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двухвеществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле.