8. Эффект Холла.

Гальваномагнитные явления − совокуп­ность физических явлений, связанных с действием магнитного поля на проводники, по которым течет ток. Наиболее распро­страненным эффектом является эффект Холла. Эффект заклю­чается в возникновении в твердом проводящем теле, помещенном в магнитное поле и по которому перпендикулярно этому полю течет ток в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю, электрического поля, которое и называют холловским полем. Причиной возникновения эффекта является действие силы Лоренца на носители заряда, направленно дви­гающиеся в процессе протекания тока. В результате между гра­нями образца, перпендикулярными магнитному полю В и току I, возникает холловская разность потенциалов U

где n - концентрация носителей заряда, е - элементарный электрический заряд, а b - размер образца в направлении магнитного поля. Знак холловской разности потенциалов зависит от зна­ка заряда носителей. Это позволяет по знаку холловской разности потенциалов определять тип примесной проводимости полупроводника. Количественное измерение холловской разности потенциалов позволяет определять концентрацию носителей заряда. Измерение эффекта Холла и электрического сопротивления даёт возможность также определять подвижность носи­телей. Эффект Холла относится к так называемым поперечным гальваномагнитным эффектам. Вторым поперечным эффектом является возникающая в направлении холловского поля разность температур. Причиной возникновения этого эффекта яв­ляется разброс скоростей направленного движения носителей заряда. Эта же причина вызывает появление продольной (вдоль протекания тока) разности температур. Движение носителей заряда по дугам окружности в магнитном поле вызывает рост электрического сопротивления при увеличении магнитного поля (эффект магнитосопротивления). Эффект Холла широко используется в технике - датчики магнитного поля, умножители посто­янных токов в аналоговых вычислительных машинах и др.

9. Полупроводниковые приборы.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р-n переходом). Эти переходы ис­пользуются в основе работы многих полупроводниковых при­боров, р-n переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Области с различным ти­пом примесной проводимости создают либо выращиванием кристаллов, либо соответствующей их обработкой. Наиболее важное свойство р-n перехода состоит в его выпрямительном действии, которое заключается в том, что сопротивление кон­такта зависит от направления тока.

При отсутствии тока, текущего через контакт, электроны из n-области переходят в р-область (и там рекомбинируют с дыр­ками), а дырки из р-области – в n-область (и рекомбинируют с электронами). Вблизи границы раздела в р-области появляется отрицательный объемный заряд, а в n-области – положитель­ный. На границе возникнет потенциальный барьер, который будет препятствовать движению электронов из n-области в р-область, а дырок из р-области в n-область. Зато этот барьер будет способствовать перемещению носителей заряда в обрат­ном направлении.

В любом проводнике помимо основных носителей заряда всегда имеется некоторое количество неосновных. В электрон­ном полупроводнике это дырки, образующиеся после ухода электронов в зону проводимости из валентной зоны. В дыроч­ном полупроводнике это электроны, пришедшие из валентной зоны в зону проводимости. При низких температурах число неосновных носителей заряда невелико. В состоянии равнове­сия полный ток, складывающийся из тока основных и неоснов­ных носителей, равен нулю.

При наличии тока через контакт (к р-области приложен по­ложительный потенциал, к n-области – отрицательный) высота контактного барьера снижается. Большее число электронов переходит из n- в р-область, большее число дырок – из р- в n-область. Ток основных носителей не меняется и результи­рующий ток увеличивается. Сила тока будет быстро нарастать с увеличением приложенного напряжения. Это направление тока называют прямым или проходным.

Иная ситуация складывается, если изменить направление тока на противоположное. В этом случае высота потенциально­го барьера увеличивается и ток основных носителей уменьша­ется. Практически через контакт течет только ток неосновных носителей, величина которого мала. Это направление тока на­зывают обратным или запирающим.

В силу изложенного вольт-амперная характеристика кон­такта имеет вид, изображен­ный на рис.. Таким образом, контакт двух полупроводников обладает односторонней про­водимостью. Из таких контак­тов изготовляют приборы, предназначенные для выпрям­ления, преобразования пе­ременных токов,

а также для других целей. Эти приборы назы­вают полупроводниковыми диодами.

С помощью полупроводников можно проводить не только выпрямление, но и усиление электрических колебаний. Предна­значенные для этого полупроводниковые приборы имеют два р-n перехода и называются полупроводниковыми триодами или транзисторами. В качестве примера транзистора рассмотрим р-n-р транзистор, схематиче­ское изображение которого приведено на рис.70. Левая р-область носит название эмиттер, правая – коллектор, n-область в данном случае называется базой. Один из вариантов включения

транзистора для усиления колебаний напряжения изображен на ри­сунке. Контакт между эмиттером и базой включается в прямом, а между базой и коллектором – в запорном направлении. Дыр­ки, являющиеся в эмиттере основ-

ными носителями, свободно проходят через контакт в базу, где они становятся неосновными носителями. Здесь они должны были бы рекомбинировать с электронами, однако размеры базы весьма малы и основная часть дырок без рекомбинации подходит к правому р-n перехо­ду и, являясь неосновными носителями, свободно переходит в коллектор через р-n переход, включенный в запорном направ­лении. Таким образом, ток коллектора практически равен току эмиттера. Однако сопротивление правого р-n перехода, вклю­ченного в запорном направлении, велико, поэтому без ущерба для работы устройства последовательно с ним может быть включено большое нагрузочное сопротивление r. Если в цепь эмиттера включить источник малых электрических колебаний, то токи эмиттера и коллектора будут меняться в такт с напря­жением этого источника, что приведет к таким же по форме колебаниям напряжения на нагрузочном сопротивлении r, од­нако из-за большого r амплитуда колебаний на r существенно возрастет. Таким образом, транзистор осуществляет усиление сигнала по напряжению и мощности полупроводника (рис.).

Диоды и транзисторы совершили революцию в области электронных средств связи и быстродействия ЭВМ.

В настоящее время шире применяются полупроводниковые приборы с несколькими р-n переходами (тиристоры и др.). На­ряду с одиночными полупроводниковыми приборами в на­стоящее время широко используются полупроводниковые ин­тегральные микросхемы – монолитные функциональные узлы, все элементы в которых изготовляются в едином технологиче­ском процессе.

6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ