saveliev2 (797914), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Иначе обстоит дело в контакте двух полупроводников с различными типами проводимости. В этом случае на одном спае электроны и дырки движутся навстречу друг другу. Встретившись, они рекомбиннруют: электрон, находившийся в зоне проводимости и-полупроводника, попав в р-полупроводник, занимает в валентной зоне место дырки. При этом высвобождается энергия, которая требуется для образования свободного электрона в и-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике, а также кинетическая энергия электрона и дырки. Эта энергия сообщается кристаллической решетке и идет на нагреванне спая.'На другом свае протекающий.ток отсасывает электроны и дырхи от границы между полупроводниками.
Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок (прн этом электрон нз валентной зоны р-полупроводника переходит в зону проводимости и-полупроводника). На образование пары затрачивается энергия, которая заимствуется у решетки — спай охлаждается. А. Ф. ИофФе выдвинул идею использования явления Пельтье для создания холодильных установок. Созданы опытные образцы небольших бытовых холодильников, рабочим элементом которых является батарея из чередующихся полупроводников а- и р-типа. Спаи одного вида (соответствующие, например, переходу от и к р) введены в охлаждаемую область, другого вида (соответствующие переходу от р к а) выведены наружу.
При надлежащем направлении тока внутренние спаи поглощают тепло, понижая температуру окружающего ихпространства, наружные спаи отдают тепло внешней среде. Заманчиво также применить явление Пельтье для электрического обогрева помещений. В этом случаеспай, поглощающий тепло, следует вывести наружу, а спай, выделяющий тепло, поместить внутри обогреваемого помещения, Пропуская ток я соответствующем направлении, можно, как показывают расчеты, получить выделение на внутреннем спае количества тепла, почти в два раза превышающего затраты энергии на создание тока (остальная энергия черпается нз внешней среды). Такая система обогрева имеет еще и то преимущество, что в случае необходимости (например, в жаркую погоду) ее можно без переделок использовать для понижения.
температуры помещения — для этого нужно лишь изменить направление тока на обратное. Явление Томсона. На основании термодинамическнх соображений Томсон предсказал в 1856 г., что тепло, аналогичное теплу Пельтье, должно выделяться (или поглощаться) при прохождении тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры. Этот эффект был впоследствии обнаружен экспериментально и получил название явления Томсона.
Удельная мощность, выделяющаяся в проводнике вследствие явления Томсона, равна лт . ю =т — 1' лх (77.10) 5 78. Полупроводниковые диоды и триоды Выпрямление токов и усиление напряжений можно осуществить с помощью полупроводниковых устройств, называемых полупроводниковыми (нли кристаллическими) диодами и триодами. Полупроводниковые триоды называют также транзисторами, и где — — градиент температуры в данном месте, 1— дх плотность тока, т — коэффициент пропорциональности, называемый коэффнциевтом Томсона. Этоткоэффициент связан с коэффициентом термо-э. д, с.
и ковффицнентом Пельтье определенными соотношениями, вытекающими из термодинамики. Явление Томсона объясняется по аналогии с явлением Пельтье. Пусть ток течет в направлении возрастания температуры. Если носители тока — электроны, они при своем движении будут переходить из мест с более высокой температурой (и, следовательно, большей средней энергией электронов) в места с более низкой температурой (и меньшей средней энергией). Избыток своей внергии электроны отдадут решетке, что приведет к выделению тепла.
Если носителями тока служат дырки, эффект, как легко видеть, будет иметь обратный знак. Полупроводниковые устройства можно подразделить яа две группы: устройства с точечными контактами и устройства с плоскостными контактами. Мы ограничимся рассмотрением плоскостных диодов и транзисторов. Основным элементом плоскостных устройств является так называемый р — и-переход.
Он представляет гобой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом прнмесной проводимости. Для изготовления такого перехода берут, например, монокристалл нз очень чистого германия с электронным механизмом проводимости (обусловленным ничтожными остатками примесей). В вырезанную из й кристалла тонкую пластинку Ф~ ~~"г"~~~~ вплавляют с одной стороны $ ~~ кусочек индия. Во время этой Ьв р, л операции, которая осуществля- ф ~ ется в вакууме или в атмосфере инертного газа, атомы р-о-агдельд индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В Рас.
!70. той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает р — и-переход. На рис. 170 показан ход концентрации примесей в направлении, перпендикулярном к граничному слою. В р-области основнымн носителями тока являются дырки, образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси (акцепторы при этом становятся отрицательными ионами); кроме того, в этой области имеется небольшое число неосновных носителей — электронов, возникающих вследствие перевода тепловым движением электронов нз валентной зоны непосредственно в зону прогодимости (этот процесс немного увеличивает н число дырок).
В и-области основные носители тока — электроны, отданные донорами в зону проводимости (доноры прн этом превращаются в положительные ионы); происходящий за счет теплового движения переход электронов нз валентной зоны в зону проводимости приводит к образованию небольшого числа дырок — неосновных носителей для этой области. Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют круг с другом. Поэтому р — и-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между обла- стями возникает двойной 3 электрический слой, об,О О О О+~~О О+ О+.О+.О+ разованный отрицатель- О О О+ О® О О+ О+ О+ нымн ионамн акцептор- *' ной примеси, заряд котоЯЬЭЯО~О+О+О+С+~О+ рых теперь не компенсиЯОО+ОО+'ОО+ЯО+'.О+ руется дыркам~, н и лоОоооо!О+О+'С+~О+'О+ жительныл1и ионами до- 6.—— и ~ ° норной примеси, заряд ко- ООО+О1О+ОО+О+О+ торых теперь не компен- О'О О О О+ф ® О+ (+©+ снруется электронами 1 (рис.
171; кружки — ионы, р-а.лэюаа черные точки — электроны, белые точки — дырки). Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей. Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой .%авиа аааэг иааааа Уааалв тааааа ,Уащааааюа аааа Важааааа аааа Рис. 172.
уровни Ферми обеих областей располагаются на одинаковой высоте (рис. 172). Изгибание энергетических зон в области перехода вызвано тем, что потенциал р-области в состоянии равновесия ниже, чем потенциал и-области; соответственно потенциальная энергия электрона в р-области больше, чем в п-области, Нижняя граница валентной зоны дает ход потенциальной энергии электрона И'па в направлении, перпендикулярном к переходу (см. сялошиую кривую на рис. 173,а). Поскольку заряд дырок противоположен заряду электронов, их потенциальная энергия Яу„я больше там, где меньше йгям и наоборот (см.
пунктирную кривую на рис. 173, а). Равновесие между р- н и-областями является подвижным. Некоторому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего через переход течет небольшой ток 1ося (рис.173,а), 3 ! ,э-и-гиялги« Ю ,Р-и-лфгляг лу Рис. г73. ') Включение внешнего напряжения нарушает равновесие, так что уровни Ферми обеик областей смещаются друг относительно друга.
При прямом напряжении $Г в р-области располагается ниже, чем в а-области. Этот ток компенсируется обусловленным неосновными носителями встречным током ги„с . Неосновных носителей очень мало, но они легко проникают через границу областей, «скатываясь» с потенциального барьера. Величина (,юси определяется числом рождаюшихся ежесекундно неосновных носителей и от высоты потенциального барьера почти не зависит. Величина (осн, напротив, сильно зависит от высоты барьера.
Равновесие устанавливается как раз при такой высоте потенциального барьера, при которой оба тока 1о,„ и г„„,и компенсируют друг друга. Подадим на кристалл внешнее напряжение такого направления, чтобы «+» был подключен к р-области, а « — » был подключен к а-области ') (такое напряжение называется пря»1ым). Это приведет к возрастанию потенциала (т. е.
увеличению ярри и уменьшению В'»в) р-области и понижению потенциала (т. е. уменьшению %'пл и увеличению Я7рь) а-области (рис. 173,6). В результате высота потенциального барьера уменьшится и ток 1„„возрастет. Ток жг (и„,и останется практически без изменений (он, как отмечалось, от высоты барьера почти не зависит), Следовательно, результирующий ток станет отличен от нуля.
Понижение потенциального барьера пропорционально приложенному напряжению (оно равно е0). При уменьшении высоты барьера ток основных носителей, а следовательно и результирующий ток, быстро нарастает. Таким образом, в направлении от р-областн к и-области р — в-переход пропускает ток, сила которого быстро нарастает при увеличении приложенного напряжения. Это направление называется примы»| (или пропускным, или проходным).
Возникающее в кристалле при прямом напряжении электрическое поле «поджимает» основные носители к границе между областями, вследствие чего ширина переходного слоя, обедненного носитерями, сокращается '). Соответственно уменьшается и сопротивление перехода, причем теки сильнее, чем больше напряжение. Таким образом, вольт-амперная характеристика в пропускной области не является прямой (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
