39. Електричний струм у вакуумі.

1. Термоелектронна емісія. Залежність струму насичення від температури

Явище виходу електронів з металів називають емісією. Емісія електронів може відбуватись при бомбардуванні поверхні металу електронами або іонами (вторинна електронна емісія) під дією світла, що падає на метал (фотоелектронна емісія) і внаслідок тепло­вого руху електронів провідності. Емісію, зумовлену тепловим рухом електронів, називають термоелектронною.

Е лектрони в металах, перебуваючи в тепловому русі, розподілені за швидкостями так, що при довільній температурі завжди є електро­ни з енергією, достатньою для переборення потенціального бар'єра (виконання роботи виходу). Такі електрони вириваються (емітують) з металу, утворюючи навколо нього електронну хмару. Якщо у ваку­умі, де розміщується нагрітий метал, існує електричне поле, напру­женість якого напрямлена до поверхні металу, то виникає електрич­ний струм. Його називають термоелектронним. Явище термоелек­тронної емісії відкрив у 1883 р, американський винахідник у галузі електротехніки Т. Едісон (1847—1931), Це явище зручно спостерігати за допомогою вакуумної лампи з двома електродами, яку називають вакуумним діодом. Один з електродів (катод) являє собою дріт із ту­гоплавкого металу (вольфрам, молібден тощо), який розжарюється електричним струмом. Другий електрод — анод. Здебільшого анод має форму циліндра, уздовж осі якого розміщено катод.

Якщо катод холодний, то з увімкненням діода в електричне коло

(рис. 1) струму в колі не буде. Це пояснюється тим, що досить розріджений газ усередині діода (вакуум) не містить заряджених час­тинок. Тому електропровідність вакуумного діода дорівнює нулеві.

У разі нагрівання катода за допомогою додаткового джерела струму до високої температури міліамперметр виявляє виникнення струму за умови, що позитивний полюс батареї G_a з'єднаний з анодом, а не­гативний — з катодом. При зміні полярності батареї G_a струму в колі не буде. Це свідчить про те, що носіями заряду у вакуумі є негативно заряджені частинки. Цими частинками є електрони, оскільки ніяких хімічних перетворень біля електродів за наявності термоелектронно­го струму не відбувається.

Якщо збільшувати напругу між катодом і анодом при постійній температурі розжарювання катода, то сила термоелектронного струму спочатку також буде збільшуватись (рис. 2). Проте залежність сили струму від напруги (вольт-амперна характеристика діода)

м ає нелінійний характер, тобто закон Ома для вакуумного діода не виконується. При наступному збільшенні анод­ної напруги сила термоелектронного струму досягає деякого макси­мального значення, яке називають струмом насичення.

На рис. 2 лінії LP, MQ і NF зображають струми насичення того самого вакуум­ного діода для різних температур розжарювання катода (Т₁ <Т₂< Т₃). При струмі насичення всі електрони, які вилітають за одиницю часу з катода, досягають анода.

Нелінійну залежність термоелектронного струму від анодної на­пруги можна пояснити впливом просторового заряду між катодом і анодом на розподіл потенціалу в діоді.

Якщо припустити, що катод і анод є плоскими

паралельними пластинками (рис. 3), то у разі

відсутності термоелектронного струму (катод холодний) розподіл потенціалу між

катодом і анодом зображується прямою лінією 1

За наявності термоелектронного струму між катодом і анодом вини­кає просторовий заряд, який змінює розподіл потенціалу в діоді (крива 2). При такому розподілі потенціалу його значення в будь-якій площині ab буде меншим, ніж за відсутності просторово­го заряду. Внаслідок цього швидкості руху електронів за наявності просторового заряду зменшуються. Зі збільшенням анодної напруги концентрація електронів просторового заряду між катодом і анодом зменшується. Це зменшує гальмівну дію просторового заряду. Внас­лідок цього термоелектронний струм зростає.\

40. Електричний струм в напівпровідниках.

Напівпровідники — широкий клас речовин, електро­провідність яких за значенням менша від електропровідності металів і більша від електропровідності діелектриків. Характерною особливістю напівпровідників є зростання електропровідності з підвищенням температури (елек­тропровідність металів зменшується з підвищенням температури). До напівпровідників належать деякі хімічні елементи (германій, силіцій, селен, телур) і багато хімічних сполук. Усі речовини, що ма­ють властивості напівпровідників, поділяють на три групи: атомні, або елементарні, напівпровідники, які мають атомну кристалічну гратку; напівпровідники з іонною кристалічною граткою, наприклад, сульфід кадмію CdS, сульфід свинцю PbS; напівпровідникові сполуки з валентними зв'язками, в яких атоми утворюють кристали типу однієї гігантської молекули, такі, наприклад, як карбід силіцію SiC, арсенід галію GaAs, антимоніт індію InSb.

Д о групи атомних напівпровідників належать 12 хімічних еле­ментів, компактно розміщених посередині періодичної таблиці еле­ментів (рис. 1).. На відміну від атомів металу в атомах

напівпровідників зовнішні електрони досить міцно зв'язані з ядром, тому при утворенні з таких атомів кристала зовнішні електрони зали­шаються у складі своїх атомів.

Розрізняють власні й домішкові напівпровідники. Хімічно чисті напівпровідники називають власними напівпровідниками (наприклад, Si, Ge, Se, SiC, GaAs, InSb), а їхню електропровідність — власною провідністю.

Власна провідність.

Типовими напівпровідниками є елементи IV гру­пи періодичної системи елементів Менделєєва — германій і силіцій. Вони утворюють кристалічну гратку, кожний атом в якій зв'язаний ковалентними зв'язками з чотирма рівновіддаленими від нього сусідніми атомами. Ковалентний зв'язок між атомами здійснюється електронними парами — двома електронами. Спрощена плоска схема розміщення атомів у кристалі Ge зобра­жена на рис. 2 (справжнім розміщенням атомів є просторове), де подвійними лініями позначено ковалентні зв'язки, а чорними круж­ками — валентні електрони. В ідеальному кристалі всі валентні електрони беруть участь в утворенні зв'язків і тому при абсолютному нулі температури власний напівпровідник, як і діелектрик, має нульо­ву електропровідність.

З підвищенням температури теплові коливання ґратки можуть розірвати окремі ковалентні зв'язки, внаслідок чого в кристалі з'яв­ляється деяка кількість вільних електронів. У покинутому електро­ном місці виникає надлишковий позитивний заряд +е — ство­рюється позитивна квазічастинка, яку називають діркою (на рис. 2 дірка зображена світлим кружком). Дірка поводить себе як позитив­ний заряд, що дорівнює за значенням зарядові електрона. Місце дірки може заповнити електрон однієї із сусідніх пар, на місці елект­рона знову утворюється дірка і т. д. Через це електрон і дірка хаотич­но блукають у кристалі. Якщо вільний електрон зіткнеться з діркою, то вони рекомбінують, тобто електрон нейтралізує надлишковий по­зитивний заряд і втрачає спроможність вільного переміщення. У мо­мент рекомбінації вільний електрон і дірка зникають одночасно.

Провідність власних напівпровідників, зумовлену електронами, називають електронною провідністю або провідністю п-типу. У зов­нішньому полі електрон валентної зони може переміститись на місце дірки на вищому сусідньому рівні, а дірка з'явиться на тому місці, звідки вийшов електрон. Такий процес заповнення дірок електрона­ми рівнозначний переміщенню дірки в напрямі поля. Провідність власних напівпровідників, зумовлену квазічастинками — дірками, називають дірковою провідністю або провідністю р-типу.

Отже, у власних напівпровідниках спостерігаються два механізми провідності — електронний і дірковий.

Домішкова провідність.

В ведення домішок у напівпровідниковий кристал істотно впливає на електричні властивості напівпровідника. Під домішками розуміють як атоми або іони сторонніх елементів у вузлах основного кристала, так і порожні вузли та механічні дефек­ти (тріщини, зсуви, що виникають при деформації кристала, і под.). У більшості випадків домішки вводять спеціально для надання напівпровідникові потрібних властивостей. Наприклад, домішка

у кристалі силіцію одного атома бору на 10⁵ атомів силіцію збільшує провідність кристала в 1000 разів при кімнатній температурі.

Р озглянемо домішкову провідність на прикладах кристалів гер­манію і силіцію, якщо деякі атоми у вузлах цих кристалів замінити атомами, валентність яких відрізняється на одиницю від валентності основних атомів. Припустимо, що в кристалі германію невелику час­тину атомів чотиривалентного германію заступають атоми п'ятивалентного фосфору. Для утворення ковалентних зв'язків із сусідніми атомами германію атомові фосфору достатньо чотирьох електронів. П'ятий електрон не бере участі в утворенні хімічного зв'язку і при малій енергії зв'язку зі своїм атомом може відірватись від нього зав­дяки енергії теплових коливань ґратки. Внаслідок цього утворюється вільний електрон, який хаотично рухається в кристалічній гратці і може брати участь в електропровідності, а в околі атома фосфору виникає зв'язаний із цим атомом надлишковий позитивний заряд (рис. 3, а). Утворення вільного електрона не супроводиться розри­вом ковалентного зв'язку, тобто на його місці не виникає дірка. Над­лишковий позитивний заряд поблизу атома фосфору не може пе­реміщатись по гратці і в електропровідності участі не бере. Завдяки цьому зарядові атом п'ятивалентної домішки може захопити елек­трон провідності, який наблизиться до нього. Атоми домішки, які постачають електрони провідності в кристалах, називають донорами.

Отже, у напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одини­цю більша від валентності основних атомів, є тільки один вид носіїв заряду — електрони. Напівпровідники з такою провідністю назива­ють електронними або напівпровідниками п-типу.

Припустимо тепер, що у кристалічну гратку чотиривалентного силіцію введена домішка тривалентних атомів бору (рис. а). Трьох валентних електронів атома бору не вистачає для утворення ковалентних зв'язків із чотирма найближчими атомами силіцію. Не-укомплектований зв'язок є тим місцем в околі атома бору, яке може захопити електрон від пари ковалентного зв'язку одного із сусідніх атомів силіцію. На місці розірваного зв'язку утворюється дірка, а по­близу атома бору виникає надлишковий негативний заряд. Цей заряд зв'язаний з атомом домішки і не може створювати струм. Зате дірка може бути заповнена електроном, відірваним від іншої пари зв'язку; тобто дірка не локалізується в кристалі, а внаслідок послідовного за­повнення електронами хаотично переміщується по гратці як вільний позитивний заряд. Крім утворення дірок, у кристалі відбувається та­кож зворотний процес. Розрив одного із чотирьох зв'язків атома домішки супроводжується звільненням електрона. Утворені таким чином електрон і дірка рекомбінують при зіткненні.

Отже, у напівпровідниках із домішкою, валентність якої на оди­ницю менша від валентності основних атомів, виникають носії заря­ду тільки одного виду — дірки. Провідність у цьому разі називають дірковою, а напівпровідник з дірковою провідністю — напівпровідни­ком р-типу.

На відміну від власної провідності, яка здійснюється одночасно електронами і дірками, домішкова провідність напівпровідників зу­мовлена в основному носіями заряду одного знака: електронами — у разі донорної домішки і дірками — у разі акцепторної. Ці носії за­ряду називають основними. Крім основних носіїв, у напівпровідниках з домішковою провідністю є також неосновні носії заряду.