Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Величина химического потенциала свободных электронов металла
где – химический потенциал при абсолютном нуле температуры и , зависит от температуры T металла. Согласно (8.6) и (8.9) внутренняя контактная разность потенциалов также зависит от температуры. Данная зависимость используется в термопаре для измерения температуры. Термопара представляет собой замкнутую электрическую цепь из двух проводников с разными химическими потенциалами. Один из контактов этих проводников находится при известной температуре T1, а другой контакт – при неизвестной температуре T2, которую необходимо измерить. Поскольку , то в замкнутой цепи возникает термоэлектродвижущая сила ε T, которая в простейшем случае описывается формулой
где α > 0 – коэффициент термоэлектродвижущей силы. В результате по термопаре потечет термоэлектрический ток. Таким образом, термопара преобразует величину разности температур в величину электродвижущей силы или электрического тока, измерение которой позволяет определить неизвестную температуру T2 по известной температуре T1. Отметим также, что в термопаре осуществляется непосредственное преобразование хаотического теплового движения электронов металла в их направленное регулярное движение в виде электрического тока, т.е. тепловой энергии в электрическую. При электрическом контакте двух полупроводников с разными типами проводимости устанавливается равновесие как в системе электронов, так и в системе дырок двух полупроводников. Рассмотрим узкий p/n-переход между двумя полупроводниками с одинаковыми концентрациями доноров и акцепторов, созданный на одном кристалле путем легирования его областей с общей поверхностью раздела примесями донорного и акцепторного типа. Будем предполагать, что при заданной температуре Т кристалла все примеси ионизированы и концентрации основных носителей тока описывается формулами
где nn и Nd – концентрация электронов проводимости и доноров соответственно в полупроводнике с электронной проводимостью, а np и Na – концентрация дырок и акцепторов соответственно в полупроводнике с дырочной проводимостью. При электрическом контакте возникает диффузия электронов из полупроводника с электронной проводимостью в полупроводник с дырочной проводимостью, а также диффузия дырок из полупроводника с дырочной проводимостью в полупроводник с электронной проводимостью. Оба процесса диффузии приведут к тому, что электронный полупроводник заряжается положительно, а дырочный – отрицательно (рис.8.4). Положительные и отрицательные заряды образуют двойной электрический слой толщиной d~1мкм в области электрического контакта полупроводников. Рис. 8.4 Здесь слева электронный полупроводник, справа дырочный полупроводник, – концентрация электронов проводимости в электронном полупроводнике, – концентрация дырок в дырочном полупроводнике, – толщина двойного электрического слоя. Максимумы плотностей нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов в области p/n-перехода расположены в центральной плоскости этого перехода. Диффузия электронов и дырок продолжается до тех пор, пока в области контакта не возникнет потенциальный барьер, связанный с электрическим полем двойного электрического слоя, который обеспечит нулевое значение суммарного тока, протекающего через p/n-переход. В этом случае говорят, что возникает запорный слой с характерным электрическим полем В/м. Максимальная высота потенциального барьера не превышает ширины запрещенной зоны и обычно равна нескольким десятым эВ. Отметим, что электрическое поле внутри запорного слоя много меньше внутрикристаллического электрического поля, ответственного за энергетический спектр кристалла. Поэтому электрическое поле E запорного слоя не меняет структуру энергетического спектра кристалла, а лишь создает внутри запорного слоя наклон потолка валентной зоны и дна Ec зоны проводимости согласно уравнению
где ось x направлена по вектору . Если к p/n-переходу приложить постоянное напряжение V, высота U потенциального барьера запорного слоя меняется согласно формуле
где
– высота потенциального барьера в отсутствие внешнего напряжения, E – электрическое поле внутреннего запорного слоя при V=0, интегрирование ведется по толщине d запорного слоя. В зависимости от полярности приложенного напряжения V высота потенциального барьера либо уменьшается, если напряжение приложено в пропускном направлении (прямое напряжение), либо увеличивается, если напряжение приложено в запорном направлении (обратное напряжение). В пропускном направлении «+» подается на полупроводник с дырочной проводимостью, а «-» – на полупроводник с электронной проводимостью. В этом случае электрический ток через p/n-переход определяется выражением
где первый член в правой части описывает ток, созданный основными носителями, а ток Is связан с неосновными носителями тока, для которых на p/n –переходе нет потенциального барьера и поэтому его величина не зависит от приложенного напряжения, и Т – температура p/n-перехода. Неосновными носителями тока в полупроводнике с электронной проводимостью являются дырки, а в полупроводнике с дырочной проводимостью – электроны. В запорном направлении «+» подается на полупроводник с электронной проводимостью а «-» – на полупроводник с дырочной проводимостью. Электрический ток меняет свое направление и определяется формулой
Вольт - амперная характеристика p/n-перехода, описываемая формулами (8.14) и (8.15), приведена на рис.8.5. В точке I=V=0 имеет место динамическое равновесие, когда диффузионный ток основных носителей компенсируется дрейфовым током неосновных носителей. Рис. 8.5 Из этой ВАХ следует, что сопротивление R=V/I p/n-перехода зависит от величины протекающего тока и приложенного напряжения. Это дает возможность управления данным сопротивлением либо с помощью тока, либо напряжения. Очевидно, что линейный закон Ома для такого нелинейного p/n-перехода не выполняется. Приведем типичные характеристики p/n-перехода: толщина мкм и зависит от приложенного напряжения, емкость пФ, концентрация свободных носителей тока в раз меньше, чем в контактирующих полупроводниках. В результате сопротивление p/n-перехода существенно больше сопротивления полупроводников, поэтому приложенное напряжение локализовано в области этого перехода. Изменение полярности приложенного напряжения может изменить величину тока, протекающего через p/n-переход на 5-6 порядка. Полупроводниковый диод на основе p/n-перехода используется для выпрямления переменного тока, т.е. его преобразования в пульсирующий ток одного направления. Для характеристики выпрямляющего действия вводится коэффициент выпрямления
величина которого может достигать нескольких сотен тысяч. Здесь V – амплитуда переменного напряжения. Если внешнее напряжение V в пропускном направлении превышает разность потенциалов на запорном слое, потенциальный барьер для основных носителей тока исчезает, внешнее электрическое поле уже не локализуется в тонком пограничном слое, а заполняет весь объем кристалла. В результате начинает выполняться линейный закон Ома:
где R – сопротивление всего кристалла, и – полное напряжение, определяющее ток через кристалл. |
Последнее изменение этой страницы: 2017-03-17; Просмотров: 433; Нарушение авторского права страницы