Вольт-амперная характеристика p-n перехода

 

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется зависимость величины тока I, протекающего через полупроводник, от приложенного до него напряжения U. Прямой ток, обусловленный основными носителями, возрастает по экспоненциальному закону, а обратный ток, обусловленный неосновными носителями, быстро достигает своего насыщения, и дальше почти не изменяется (рис.).

Поскольку количество неосновных (дырок в п - области и электронов в р - области) носителей ограниченная и в много раз меньше количества основных носителей, обратный ток во-первых очень быстро достигает насыщения, а во-вторых, определяется в микроамперах, т.е. очень маленький в сравнении с прямым током. При значительном увеличении обратного напряжения обратный ток начинает резко возрастать и наступает так называемый пробой р- п -перехода, вследствие чего он теряет свое основное свойство – одностороннюю проводимость.

При повышении температуры и прямой и обратный ток возрастает, но зависимость обратного тока от температуры значительно больше. Это объясняется тем, что ток насыщения в обратном направлении определяется неосновными носителями тока, концентрация которых с ростом температуры возрастает по экспоненциальной зависимости.

 

Транзисторы

Р-n -переходы обладают не только выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов

Транзистор (или полупроводниковый триод) работает подобно лампе триод. Ток в коллекторе (соответствует анодному току) управляется напряжением на базе (аналогия сетки).

Между Э и Б прикладывается напряжение в прямом направлении, а между Б и К – обратное.

При таком включении дырки переходят в базу и диффундируют к коллектору. Здесь (на границе Б-К) дырки захватываются полем (притягиваются к «-» заряженному коллектору) и изменяют ток коллектора.

Т.е. прикладывая между Э и Б переменное напряжение, получаем в цепи коллектора переменный ток, а на R_вых >> R_вх U_вых значительно превышает U_вх (до 10000 раз).

Транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения, и мощности.

Контакт двух металлов

 

Рассмотрим контакт двух металлов с различными работами выхода А ₁ и А ₂, т.е. с различными положениями уровня Ферми (верхнего заполненного электронами энергетического уровня). Если A ₁ <A ₂ (этот случай изображен на рис. а), то уровень Ферми располагается в металле 1 выше, чем в металле 2. Следовательно, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, что приведет к тому, что металл 1 зарядится положительно, а металл 2 — отрицательно. Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней: в металле, заряжающемся положительно, все уровни смещаются вниз, а в металле, заряжающемся отрицательно, — вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, которое, как доказывается в статистической физике, характеризуется совпадением уровней Ферми в обоих металлах (рис. б).

Т.к. уровни Ферми совпадают, а А_вых не изменяется (const для каждого Ме), то потенциальная энергия электрона в точке А и В будет различной, т.е. возникает разность потенциалов:

- внешняя контактная разность потенциалов

 

Между внутренними точками металлов возникает

- внутренняя контактная разность потенциалов

и зависят от химического состава и t⁰ соприкасающихся Ме.

 

Термоэлектрические явления

 

Явление Зеебека

В замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную t⁰, возникает электрический ток.

(термо ЭДС)

(при )

Причина: Положение уровня Ферми зависит от t⁰: если t⁰ контактов разные, то разными будут и внутренние контактные . Сумма скачков потенциалов отлична от нуля, что и приводит к возникновению термоэлектрического тока.

Явление Зеебека используется:

· для измерения t⁰ (термопары);

· для генерации электрического тока (термобатареи для преобразования солнечной энергии в электрическую)-.

 

Явление Пельтье

При прохождении тока через контакт двух различных проводников выделяется или поглощается дополнительная теплота в зависимости от направления тока (дополнительная по отношению к джоулевой теплоте).

В отличие от Q_дж I², Q_п I.

Электроны по разную сторону спая обладают различной энергией. Если электроны пройдут через спай В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток энергии они отдадут кристаллической решетке и спай будет нагреваться. В спае А электроны переходят в область с большей энергией, забирая энергию у кристаллической решетки – спай А охлаждается.

Явление Пельтье используется:

· в термоэлектрических полупроводниках,

· холодильниках

· в электронных приборах.

Явление Томсона

При прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику происходит дополнительное выделение (поглощение) теплоты, аналогичной теплоте Пельтье.

В более нагретой части проводника электроны имеют большую Е_к, чем в менее нагретой.

Двигаясь в направлении убывания t⁰, они отдают часть своей энергии кристаллической решетке – происходит выделение теплоты. И наоборот, двигаясь в сторону возрастания t⁰, они забирают у решетки – она охлаждается.