книги из ГПНТБ / Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений

такое тело обладает весьма малой (темновой) проводимостью. При облучении светом проводимость растет. Для внутренних переходов электрона бывают достаточны энергии в десятые доли электронвольта. Поэтому порог внутреннего фотоэффекта может лежать в далекой инфракрасной области.

Фотосопротивления широко используются для сигнализации и автоматики всюду, где нужно превратить в действие или зафикси­ ровать слабейшие изменения в интенсивности света.

§ 275. Запирающие слои

Граница металла и полупроводника, а также граница двух полу­ проводников может в ряде случаев обладать выпрямляющим дейст­ вием. Поскольку переход от одного тела к другому при их тесном контакте (сваривании, сплавлении) занимает хотя и очень тонкий, но все же конечный по толщине участок, принято говорить о за­

ветвь кривой называется пропускным током, левая — запирающим. Пропускной ток быстро растет с напряжением, запирающий — почти не меняется, остается все время крайне слабым.

Какое же направление тока является пропускным? Исследова­ ния показали, что на р — я-границе пропускной ток идет от дыроч­ ного полупроводника через границу к электронному. Это значит, что дырки стремятся к электронам и, наоборот, электроны продви­ гаются в сторону повышенной концентрации дырок. Запирающему току соответствует такое направление, при котором дырки и элект­ роны расходятся от границы.

Что же касается границы металл — полупроводник, то там, видимо, дело обстоит следующим образом. Если с металлом грани­ чит полупроводник дырочного типа (медь — закись меди), то про­

свободных электронов, в металле они имеются в избытке; электроны переходят из металла в полупроводник.

Свойства запирающих слоев нашли себе широкое применение в промышленности выпрямителей. Уже давно производятся купроксные выпрямители (медь — закись меди), селеновые выпрямители. В последнее время широкое применение получают крошечные вы­ прямители, сделанные из германия или кремния,— кристаллические диоды. Введением примесей в германий или кремний можно пре­ вратить его в проводник р-типа или я-типа. Кристаллический диод представляет собой маленький кристаллик германия (кремния), одна часть которого содержит примеси акцепторного типа, а дру­ гая — примеси донорного типа.

Интересны также кристаллические триоды, представляющие собой полупроводящую систему типа р — п — р или я — р — я. Если к трем участкам этого крошечного триода (размеры кристал­ лических «ламп» порядка сантиметра) припаять три провода, то такую систему можно включать в цепь для тех же целей, что и трех-

лось два запирающих слоя, включенных друг навстречу другу.

товления фотоэлементов, работающих без источника напряжения. Если на поверхность полупроводника нанесен тонкий слой металла, то создается запирающий слой. Слой металла может быть настолько тонким, что свет свободно пройдет через него. Под действием про­ шедшего сквозь металл света в полупроводнике происходит внутрен­ ний фотоэффект. Ввиду наличия запирающего слоя освободившиеся электроны вынуждены начать направленное движение. Замкнув цепь, мы получим электрический ток.

На этом принципе могут быть изготовлены меднозакисные и се­ леновые фотоэлементы. У нас с успехом применяются отечественные сернисто-таллиевые фотоэлементы, дающие ток короткого замыкания порядка 10 ООО микроампер на люмен. Фотоэлементы такого типа обладают коэффициентом полезного действия превращения световой энергии в электрическую порядка 1 %. И здесь существенный пере­ ворот вносят запирающие р — n-слои из кремния и германия. Они позволяют изготовлять фотоэлементы с коэффициентом полезного действия порядка 10%. Открытие этой новой возможности делает вполне реальной задачу технического использования солнечной энергии.

§ 276. Контактная разность потенциалов

Если металлические или полупроводниковые тела приведены в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной. Для того чтобы измерить эту величину, надо создать тесный контакт между двумя телами вдоль некоторой поверхности (спаять, сварить, пришлифовать, обеспечив отсутствие

ипосторонних включений, окисных

величины контактная разность потенциалов между двумя телами равна десятым долям вольта.

Необходимость существования контактной разности потенциа­ лов вполне очевидна — она должна возникать, если только работа выхода электронов у соприкасающихся тел различна. Напомним, что работа выхода А — это существующая при температуре аб­ солютного нуля разность между энергией электрона на самом высо­ ком уровне внутри металла W и энергией электрона, вышедшего за пределы металла с нулевой кинетической энергией.

Распределение электронов по энергиям у двух приведенных в со­ прикосновение твердых тел можно изобразить схемой (рис. 308). Верхний уровень одинаков для всех тел. Электроны тела, у которого работа выхода меньше, расположены на более высоком энергети­ ческом уровне. Таким образом создаются условия для перехода электронов из первого тела во второе. Этот переход сопровождается образованием положительного заряда на первом теле и отрицатель­ ного — на втором. В месте контакта возникнет электрическое поле, которое будет препятствовать переходу электронов. В конце концов установится равновесие; оно будет осуществляться при строго опре­ деленной разности потенциалов, характерной для данной пары ме­ таллов.

и дырок, а также позволяла вводить электроны в возбужденные со-' стояния. Такие состояния будут получены, если удастся инжекти­ ровать электроны в полупроводник, в котором больше дырок, т. е. в р-кристалл. Тот же эффект получится введением дырок в полу­ проводник п-типа. Наконец, можно также прибегнуть к инжекции в изолятор дырок и электронов.

Если, пропуская ток через полупроводник, мы осуществим один из этих процессов, то произойдет прямое превращение энергии

Наиболее удобными для практического осуществления электро­ люминесценции оказались р — n-диоды, изготовленные из бинар­ ных полупроводников типа фосфида или арсенида галлия. На рис. 308а дана схема энергетических уровней диода. Между р- и п- областями диода установится, как только что было объяснено, контактная разность потенциалов, уравновешивающая диффузию электронов (черные кружки) в р-область и дырок (светлые кружки) в п-область (рис. 308а, а)

При наложении поля (рис. 308а, б) барьер понижается, элект­ роны начинают свое движение вправо на нашем чертеже, а дырки влево. В пограничном слое создаются благоприятные условия для рекомбинации всех четырех типов. Энергия образующихся фотонов, грубо говоря, равна зазору между полосами.

Конечно, процесс рекомбинации не обязательно должен сопро­ вождаться излучением. Соответствующая энергия может перейти и в тепло. Если бы удалось осуществить идеальный случай, то выход излучения превосходил бы подводимую электрическую энергию и прибор работал бы как холодильник, черпая тепло в кристалле и окружающей среде.

Все излучение распространяется в плоскости пограничного слоя. Два конца диода, перпендикулярные границе, полируются таким образом, чтобы создалась резонансная полость. При больших токах излучение становится стимулированным со всеми вытекаю-

Наблюдение разности потенциалов в неравномерно нагретом проводнике представляет некоторые сложности. Порядок величины возникающего падения потенциала — это 10~* В на градус. Разу­ меется, нельзя обнаружить явление, изготовив замкнутый проводник в надежде измерить электрический ток. Действительно, такой замк­ нутый проводник мы всегда можем мысленно разбить на две половины: в первой происходит падение потенциала, а во второй — возрастание. В однородном проводнике эти величины будут строго равны и результирующую э. д. с. обнаружить нельзя.

§ 278. Термоэлектродвижущая сила

Электрический ток можно наблюдать в кольцевом проводе, составленном из двух (или более) различных тел, если только места соединения (спаев) находятся при разных температурах. Это и есть известное явление термоэлектричества, имеющее широкое примене­ ние на практике.

Причин появления термоэлектрического тока может быть две. Прежде всего, очевидно, что падение потенциала вдоль обоих про­ водов, происходящее из-за перепада температуры, может быть раз­ ное у этих двух тел (обозначим их 1 и 2), если только их константы

вероятной зависимости контактной разности потенциалов от темпе­ ратуры. В результате помещения двух спаев в разные температур­ ные условия их контактные разности потенциалов могут оказаться разными. Опять-таки и одного этого условия было бы достаточно для возникновения результирующей разности потенциалов в замк­ нутой цепи, а значит, и появления тока.

Учитывая оба явления, мы можем записать выражение для термоэлектродвижущей силы в виде суммы падения напряжения в первом проводе, скачка потенциала от первого тела ко второму, падения потенциала во втором теле и скачка потенциала от второго

и так же преобразуем аналогичную вторую разность. Тогда формула для э. д. с. примет вид

* - ] ' { * - # ) < * - ] { * • - ¥ ) < « • •

г, 4 / г, 4 ' Нам удалось таким способом выразить $ в виде разности двух ве­

личин, каждая из которых является характеристикой данного тела. Довольно часто термин «термоэлектродвижущая сила» применяют не к этим интегралам, а к величине э. д. с , отнесенной к одному градусу:

а = а- dT

Эта величина является основной характеристикой термоэлектри­ ческих свойств тела. Она не является неизменной константой, а мо­ жет зависеть от термодинамических условий, в том числе и от темпе­ ратуры. Впрочем, для многих тел эта зависимость не выражена ярко.

Измеряя термоэлектродвижущую силу, можно определить не ос, а разность этих величин. Однако, комбинируя разные пары провод­ ников и полупроводников, мы имеем возможность определить зна­ чения а по отношению к одному телу, принятому за «начало от­ счета». Таким образом можно расположить тела в ряд по их термо­ электродвижущим силам. По вполне понятным после сказанного причинам ряд по термоэлектродвижущим силам не совпадает с рядом по контактной разности потенциалов.

Приведем термоэлектродвижущие силы некоторых металлов по отношению к платине. Если данный металл спаян с платиной, причем один спай находится при 0°С, а другой — при 100°С, то в замкнутом контуре возникает э. д. с. (в мил­ ливольтах):

Константан —3,4

Положительный знак означает, что в спае, находящемся при 0°С, ток течет от данного металла к платине.

Беря из таблиц значение констант а, мы сразу же подсчитаем значение термоэлектродвижущей силы, имеющей место при данной разности температур: g=(&i — a g ) (7\ — Т2). Такой вид будет иметь формула в случае термоэлемента, составленного двумя

металлами или двумя полупроводниками, обладающими одинаковыми по знаку носителями тока. В этом случае разности потенциалов, возникающие в обоих плечах цепи, направлены друг против друга и результирующая э. д. с. представляет собой разность действий обоих проводов, составляющих цепь Однако картина меняется в том случае, если мы составим цепь из двух полупроводников, один из которых обладает дырочной, а другой — электронной проводи­ мостью. У дырочного проводника на холодный спай направляются дырки, а электроны идут к горячему спаю. У электронного провод­

Первое из этих явлений, носящее имя Пельтье, состоит в сле­ дующем. Если через спай двух тел проходит электрический ток, то в спае выделяется или поглощается тепло, пропорциональное силе протекающего тока:

при изменении направления электрического тока: в зависимости от направления тот же самый спай будет либо выделять, либо погло­ щать тепло. Опытом Ленца это было доказано более ста лет назад. В углубление на стыке стержней сурьмы и висмута Ленц поместил каплю воды. Пропуская ток в одном направлении, можно было показать, что капля замерзает. Меняя направление тока на об­ ратное, можно эту же каплю расплавить.

Второе явление имеет место в любом однородном проводнике, если он неравномерно нагрет. Положим, например, что ток идет вдоль стержня, один конец которого находится при одной темпера­ туре, а второй конец — при другой. Тогда в этом проводе будет происходить дополнительное выделение тепла, пропорциональное первой степени силы тока (а не ее квадрату, как в эффекте Джоуля). Разумеется, чтобы заметить это явление, надо свести к минимуму джоулево тепло.

Можно хотя бы следующим образом демонстрировать этот эф­ фект (его предсказал на основании термодинамических соображе­ ний английский физик Томсон). В состав цепи тока входят два

стержня, которые располагаются параллельно друг другу (рис. 309). Концы стержней попарно держатся при разных температурах. Сим­ метрия расположения, казалось бы, должна привести к тому, что в симметричных точках обоих стержней температура будет одинако­ вой. Однако в одном стержне ток идет от горячего конца к холодно­ му, а в другом — наоборот. Эффект Томсона приводит к тому, что соответственные точки стержней не будут находиться при равной

При пропускании по стержню тока /=0,5 мА от горячего конца к холодному благодаря эффекту Томсона в проводнике за единицу времени выделяется тепло

дТ

Q r = T / - ^ - / = — 8,5 -10-е-( — 5-Ю-4 )-1-10 = 4,24-108 Дж/с.

Ток взят со знаком минус, так как он направлен противоположно градиенту температуры. Благодаря эффекту Джоуля в проводнике выделится за единицу времени тепло

да лучим также: т —Г-^уг. С помощью этих равенств происходит опре­

деление абсолютного значения а.