7) Принцип работы полевых транзисторов

Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называются полевыми транзисторами. У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны либо дырки).  Полевые транзисторы бывают двух видов: - с управляющим p-n-переходом; - со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) Транзистор с управляющим p-n-переходом представляет собой пластину (участок) из полупроводникового материала с электропроводностью p- либо n-типа, к торцам которой подсоединены электроды - сток и исток. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n-переход или барьер Шотки), от которого выведен электрод - затвор.        Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, Усилительные свойства которого обусловлены потоком основных но­сителей, протекающим через проводящий канал, управляемый электричёским полем. Действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одной полярности. Характерной особенностью полевого транзистора является высокий коэффи­циент усиления по напряжению и высо­кое входное сопротивление.  Простейший, полевой транзистор со­стоит из пластинки полупроводникового материала с одним p-n-переходом в цент­ральной части и с невыпрямляющими контактами по краям (рис 1). Действие это­го прибора основано на зависимости тол­щины области пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода от приложенного к нему напряжения. Поскольку запирающий слой, почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость близ­ка к нулю.  Таким образом, в пластинке по­лупроводника, не охваченной запирающим слоем, образуется токопроводящий канал, сечение которого зависит от толщины ОПЗ. Если включить источник питания Е2, как, показано на [рис. 6.1, то через пластинку полупроводника, между выпрямляющи­ми контактами потечет ток. Область в полупроводнике, в которой регулируется поток носителей заряда, на­зывают проводящим каналом.   Электрод полевого транзистора, через который в проводящий ка­нал втекают носители заряда, называют истоком, а электрод, через который они вытекают из канала, — стоком.  Электрод полевого транзистора, на который подается электриче­ский сигнал» используемый для управления величиной тока, проте­кающего через канал, называют затвором.  К каждому из электродов присоединяются выводы, носящие соот­ветствующие названия (истока, стока и затвора). Затвор выполняет роль сетки вакуумного триода. Исток и сток соответствуют катоду и аноду. Величина тока в канале (при Е2 и Rн = const) зависит от сопротивления участка пластинки между стоком и истоком, т. е. в зна­чительной степени от эффективной площади поперечного сечения ка­нала.  Источник E1 создает отрицательное напряжение на затворе, что приводит к увеличению толщины запирающего слоя и к уменьшению сечения канала. С уменьшением сечения канала увеличивается со­противление между истоком и стоком и снижается величина тока Iс. Уменьшение напряжения на затворе вызывает уменьшение сопротив­ления канала и возрастание тока Iс. Следовательно, ток, протекающий через канал, можно модулировать сигналами, приложенными к за­твору.  Поскольку р-n - переход включен в обратном направлении, входное сопротивление прибора очень велико.  Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относитель­но истока, может вызвать такое расширение ОПЗ, при котором токопроводящий канал окажется перекрытым. Это напряжение называют пороговым или напряжением отсечки. Оно соответствует напряжению запирания электронной лампы.  К р-n - переходу приложено не только «поперечное» напряжение Е1 но и «про­дольное» напряжение, падающее на рас­пределенном сопротивлении канала, созда­ваемое током, протекающим от истока к стоку. Поэтому ширина ОПЗ у стока увеличивается, а эффективное сечение канала соответственно умень­шается (см. рис. 1). Приборы данного типа называют полевыми транзисторам и с затвором в виде р-n перехода или с управляющим р-n- переходом .

Билет 43

Контакт двух металлов по зонной теории

 

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Итальянский физик А. Вольта (1745-1827) установил, что если металлы А1, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд называется рядом Вольта. Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от десятых до целых вольт.

Вольта экспериментально установил два закона:

1. Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.

2. Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Для объяснения возникновения контактной разности потенциалов воспользуемся представлениями зонной теории. Рассмотрим контакт двух металлов с различными работами выхода А₁ и А₂, т. е. с различными положениями уровня Ферми (верхнего заполненного электронами энергетического уровня). Если А₁ < А₂ (этот случай изображен на рис. 330, а), то уровень Ферми располагается в металле 1выше, чем в металле 2. Следовательно, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1будут 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. 330,6), Так как для соприкасающихся металлов уровни Ферми совпадают, а работы выхода A₁ и А₂ не изменяются (они являются константами металлов и не зависят от того, находятся металлы в контакте или нет), то потенциальная энергия электронов в точках, лежащих вне металлов в непосредственной близости к их по верхности (точки А и В на рис. 330, б), будет различной. Следовательно, между точками А и В устанавливается разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна

                                         (246.1)

 

Разность потенциалов (246.1), обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов. Чаще говорят просто о контактной разности потенциалов, подразумевая под ней внешнюю.

Если уровни Ферми для двух контактирующих металлов не одинаковы, то между внутренними точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна

                                 (246.2)

В квантовой теории доказывается, что причиной возникновения внутренней контактной разности потенциалов является различие концентраций электронов в контактирующих металлах. " зависит от температуры Т контакта металлов (поскольку наблюдается зависимость Е_F от Т), обусловливая термоэлектрические явления. Как правило, " << '.

Если, например, привести в соприкосновение три разнородных проводника, имеющих одинаковую температуру, то разность потенциалов между концами разомкнутой цепи равна алгебраической сумме скачков потенциала во всех контактах. Она, как можно показать (предоставляем это сделать читателю), не зависит от природы промежуточных проводников (второй закон Вольта).

Внутренняя контактная разность потенциалов возникает в двойном электрическом слое, образующемся в приконтактной области и называемом контактным слоем. Толщина контактного слоя в металлах составляет примерно

10^-10 м, т. е. соизмерима с междоузельными расстояниями в решетке металла. Число электронов, участвующих в диффузии через контактный слой, составляет примерно 2% от общего числа электронов, находящихся на поверхности металла. Столь незначительное изменение концентрации электронов в контактном слое, с одной стороны, и малая по сравнению с длиной свободного пробега электрона его толщина - с другой, не могут привести к заметному изменению проводимости контактного слоя по сравнению с остальной частью металла. Следовательно, электрический ток через контакт двух металлов проходит так же легко, как и через сами металлы, т. е. контактный слой проводит электрический ток в обоих направлениях (12 и 21) одинаково и не дает эффекта выпрямления, который всегда связан с односторонней проводимостью.

2) ТЕРМОЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЕ ЯВЛЕ́НИЯ, явления прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратные явления прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Обусловлены связью между тепловыми и электрическими процессами в проводниках (полупроводниках). К термоэлектрическим явлениям относятся термоэлектрическийэффект Зеебека и электротермические эффекты — эффект Пельтье и эффект Томсона.

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает электродвижущая сила (термоЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах. Характеризуется коэффициентом _Т — дифференциальным коэффициентом термоЭДС.

Эффект Пельтье является эффектом, обратным явлению Зеебека: при протекании тока в цепи из различных проводников в местах контактов, в дополнение к теплоте Джоуля, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество теплоты Q_п, пропорциональное протекающему через контакт количеству электричества (то есть силе тока I и времени t), и П — коэффициенту Пельтье.

Эффект Томсона заключается в выделении дополнительного количества тепла Q_т в однородном проводнике при одновременном действии проходящего тока и градиента температур. Количество выделенного тепла пропорционально коэффициенту Томсона . Этот эффект был предсказан У. Томсоном (Кельвином) на основании выведенного им термодинамического соотношения между коэффициентами Пельтье и Зеебека.

Все три термоэлектрических коэффициента, зависящие от параметров спаев и от свойств самих материалов — дифференциальный коэффициент термоЭДС _Т, коэффициент Пельтье П и коэффициент Томсона , — связаны между собой соотношением Кельвина:

_Т = П/.

Таким образом, к термоэлектрическим явлениям относятся три взаимосвязанных эффекта, характеризующиеся соответствующими коэффициентами, различающимися для разных материалов. Причина всех термоэлектрических явлений заключается в нарушении теплового равновесия в потоке носителей, то есть в отличии средней энергии электронов в потоке от энергии Ферми. Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей; поэтому в полупроводниках они в десятки и сотни раз больше, чем в металлах и сплавах. Именно поэтому термоэлектрические полупроводниковые материалы нашли в настоящее время широкое применение для создания различных приборов, принцип действия которых основан на термоэлектрических эффектах.

Термоэлектрические явления широко используются для создания термоэлектрических измерительных приборов, а также термоэлектрических генераторов итермоэлектрических холодильников. Термоэлектрические генераторы и холодильники являются устройствами непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую или переноса тепла между спаями в термоэлектрических материалах при прохождении электрического тока. Перспективно сочетание термоэлектрических преобразователей с компактными, мощными и относительно дешевыми источниками тепла. Термоэлектрические приборы обладают принципиальными преимуществами перед обычными механическими системами: отсутствием движущихся частей, бесшумностью работы, компактностью, легкостью регулировки, малой инерционностью.

Билет 44

1. Ядерные силы силы — удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Они действуют только на расстояниях не более 10 ^-13 см и достигают величины, в 100-1000 раз превышающей силу взаимодействия электрических зарядов.

Ядерные силы не зависят от заряда нуклонов. Они обусловлены сильным взаимодействием.

Ядерные силы описывают при помощи потенциала, который является функцией расстояния r между нуклонами. В отличие от кулоновского и гравитационного потенциалов, обратно пропорциональных расстоянию, ядерный потенциал зависит от r гораздо сложнее. Например, на расстоянии 1 ферми (1 ферми=10 ^-13 см) ядерное притяжение максимально и превышает кулоновское взаимодействие (потенциал) в несколько десятков раз, а гравитационное — в 10 ³⁸ раз, однако с увеличением расстояния до r=6 ферми ядерное притяжение убывает в 200 раз, тогда как кулоновское и гравитационное только в 6 раз.