FIZIKA_kospekt_lektsy

микропроцессоры компьютеров и т. д.), которые изготовляются в едином технологическом цикле на поверхности одного полупроводникового кристалла и содержат до миллиона транзисторов, резисторов и конденсаторов. На поверхности кристалла кремния в

нужных местах наращивают методом кристаллизации

Рис. 35.36

из паров слои полупроводника толщиной около 1 мкм с нужными типами примесей и металлические пленки. Окислением кремния при

температуре около 1300 К создаются изолирующие пленки диоксида кремния

SiO2 толщиной около 0,1 мкм. На рис. 34.36 показан фрагмент микросхемы с одним p n p транзистором. Линейные размеры транзистора около 1 мкм.

35.12. Фоторезистор

При освещении полупроводника происходит высвобождение в

полупроводнике носителей тока (перебрасывание электронов из валентной зоны или с примесных уровней в зону проводимости). Это явление называется

внутренним фотоэффектом, а дополнительная проводимость, обусловленная

этим процессом, называется фотопроводимостью.

Явление фотопроводимости используется в фоторезисторах.

Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, проводимость которого изменяется в зависимости от изменения падающего на него светового потока.

фоторезистора от вредного воздействия окружающей среды ее покрывают тонкой пленкой лака, прозрачного для области спектра, к которой чувствителен данный фоторезистор. В фоторезисторах применяют полупроводники с

381

наиболее выраженным фотоэффектом, такие как сернистый кадмий CdS,

сернистый свинец РbS, селен Sе и др.

В отличие от вакуумных фотоэлементов, фоторезисторы могут воспринимать не только излучение с большой энергией кванта (синее и ультрафиолетовое), но и красное и даже инфракрасное.

Чувствительность фоторезисторов на четыре порядка выше чувствительности вакуумного фотоэлемента. Это позволяет иногда использовать фоторезисторы в схемах автоматики без усиления (как в схеме, показанной на рис. 35.32).

При освещении фоторезистора его сопротивление уменьшается и ток в цепи превышает порог срабатывания реле. При этом замыкается цепь исполнительного механизма. Высокая чувствительность фоторезисторов позволяет применять их для астрономических наблюдений, световых измерений и т. д.

35.13. Терморезистор

Электрическое сопротивление полупроводников, как уже

отмечалось, в значительной степени зависит от температуры. На

этом явлении основывается действие терморезисторов

(термисторов). Терморезисторы изготовляют спеканием порошковых полупроводниковых материалов (преимущественно окислов металлов) в

твердую компактную массу в форме нити, бруска, цилиндра, пластинки,

бусинки. Образец окантовывают контактными колпачками или припаивают к нему контактные проводники. Затем терморезистор покрывают снаружи водостойкой эмалевой краской или герметизируют в металлическую капсулу.

Условное графическое изображение терморезистора на схемах показано на рис. 35.33.

С повышением температуры от 50 до сопротивление

терморезистора уменьшается в тысячи раз. Это позволяет использовать терморезисторы в качестве датчиков температуры в цепях автоматического управления и температурной стабилизации.

382

внешнюю электрическую цепь, то в такой замкнутой цепи возникнет

показано строение (а) фотодиода и схемы его включения в режиме фотогенератора (б) и фотопреобразователя (в). Как видим, в режиме фотопреобразователя напряжение источника питания прикладывается к фотодиоду в обратном направлении. Свет падает на тонкий слой n области,

фотодиод подключается к внешней цепи с сопротивлением нагрузки Rн с

383

помощью проводящих контактов 1 и 2. Контакт 1 представляет собой тончайшую, практически прозрачную пленку золота.

В режиме фотопреобразователя фотодиоды применяются для контроля источников света, измерения интенсивности освещения и др. Кремниевые фотодиоды в режиме фотогенератора дают ЕДС около 0,5 В при КПД около

15%. Фотодиоды в виде солнечных батарей используются на космических аппаратах, для питания калькуляторов и т. д.

35.15. Светодиод

Светодиоды – это излучающие полупроводниковые приборы с одним

p n переходом, преобразующие электрическую энергию в энергию

некогерентного светового излучения. Принцип действия светодиода состоит в том, что в некоторых полупроводниках при рекомбинации пары электрон– дырка в p n переходе испускается фотон. Рекомбинация не всегда сопровождается излучением. Так, в германиевых p n переходах электрическая энергия почти полностью превращается в тепловую, т. е.

происходит рекомбинация без излучения.

Светодиоды изготовляются из двойных и тройных полупроводниковых соединений. Диоды красного, желтого и зеленого свечения изготовляют на основе фосфида галлия,

фиолетового свечения – на основе карбида кремния и т. д. Рекомбинация и излучение наблюдаются, если p n переход включен в прямом направлении

(см. рис. 35.36).

Светодиод имеет малые габариты и массу, низкое потребление мощности,

высокую стабильность и большой срок службы. Инерционность светодиодов мала, она составляет 10…100 нс. Светодиодам можно придать различную форму, а также размещать их на одном кристалле в виде черточек – сегментов.

В этом случае, подавая питание на те или иные сегменты, можно получить любую цифру или букву. Такие светодиоды широко используются в световых табло, в калькуляторах для выведения цифровой и буквенной информации.

КПД светодиодов может достигать нескольких процентов.

384

35.16. Полупроводниковый лазер

перехода плоско-параллельные грани кристалла отполированы и служат в качестве полупрозрачных зеркал с коэффициентом отражения около 30%.

Наиболее широко используется инжекционный лазер на арсениде галлия

GaAs. Область n типа получают внесением в арсенид галлия примеси

теллура в концентрации (3 5) 1018 см-3 , область p типа – внесением примеси цинка в концентрации 1019 см-3 . Это очень большая концентрация примесей. В

обычных диодах она намного меньше (около 1015 см-3 ).

Ток, проходящий через p n переход, вбрасывает в область p n

перехода большое количество электронов и дырок. Само название инжекционного лазера происходит от слова “инжекция” (“инъекция”) –

вбрасывание. При рекомбинации пар электрон-дырка испускаются фотоны с энергией, равной ширине запрещенной зоны W . Рассмотрим судьбу фотона,

движущегося вдоль p n перехода перпендикулярно к зеркальным граням.

Прежде чем выйти наружу через одно из полупрозрачных зеркал, он может

несколько раз отразиться от зеркал, снова и снова проходя через область p n

перехода. Когда такой фотон встречает на своем пути пару электрон-дырка, он вызывает их рекомбинацию, причем фотон, испускаемый при рекомбинации,

имеет такую же частоту, такую же фазу и такое же направление, как и

вызвавший рекомбинацию. Таким образом, луч, направленный вдоль p n

перехода переходу перпендикулярно к зеркалам, многократно усиливается.

Часть этого луча выходит наружу через полупрозрачные зеркала. Те же

385

первоначальные фотоны, которые пошли в сторону от оси зеркал, теряются без последствий.

Инфракрасный лазерный луч с длиной волны 0,89 мкм и с угловым расхождением около 1°, имеет мощность в непрерывном режиме около 0,2 Вт.

Первые полупроводниковые лазеры приходилось охлаждать жидким азотом до температуры 77 К. Теперь наиболее распространенными являются лазеры на

требуют охлаждения, в зависимости от структуры могут испускать свет с длиной волны от 0,32 мкм (ультрафиолет) до 32 мкм (инфракрасные лучи),

имеют КПД ~ 80%. Исследования гетероструктур Жоресом Алферовым отмечены Нобелевской премией.

Изменяя ток инжекции, можно управлять излучением полупроводниковых лазеров. Благодаря этому они находят применение в световолоконных линиях связи, в лазерных принтерах компьютеров, в

устройствах записи информации на компакт-диски и считывания информации с этих дисков и т. д.

35.17. Тензорезистивный эффект

Тензорезистивный эффект состоит в изменении электропроводности кристалла в результате его деформации. Деформация растяжения приводит к увеличению межатомного расстояния, деформация сжатия – к его уменьшению.

В металлах увеличение межатомного расстояния приводит к увеличению длины свободного пробега электронов проводимости, а следовательно, к

возрастанию электропроводности. В полупроводниках, как это видно из рис. 34.6, увеличение межатомного расстояния приводит к увеличению ширины

386

запрещенной зоны W . Согласно формуле (34.8), электропроводность при этом уменьшается.

Тензорезистор конструктивно представляет собой либо решётку,

изготовленную из проволоки или фольги (из константана, нихрома, различных сплавов на основе Ni, Mo , Pt), либо пластинку из полупроводника, например

Si. Тензорезистор механически жёстко соединяют (например, приклеивают,

приваривают) с упругой диэлектрической подкладкой либо крепят непосредственно на исследуемой детали. Упругий элемент воспринимает изменения исследуемого параметра (давления, деформации узла машины,

ускорения и т. п.) и преобразует их в деформацию решётки (пластинки), что приводит к изменению сопротивления терморезистора.

35.18. Эффект Зеебека

Физические явления, обусловленные взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках, называют

термоэлектрическими явлениями. К ним относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Возникновение термоэлектрической ЭДС (ТЭДС) в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников или полупроводников, называется эффектом Зеебека. Пара разнородных,

материалов, используемых для получения ТЭДС, назывется термопарой. ТЭДС

E (а вместе с ней и вызываемый ею электрический ток) обращается в нуль вместе с разностью температур спаев:

где Тг и Тх – температуры горячего и холодного спаев, – коэффициент ТЭДС, зависящий от материалов термопары и от температуры.

Эффект Зеебека наблюдается как для пар металлов, так и для полупроводников. Так для термопары сурьма – свинец 43мкВ/К .

Термопара представляет собой прибор,

Рис. 35.38

387

непосредственно преобразующий тепловую энергию в электрическую. Мощные металлические термопары с успехом заменили бы тепловые электростанции,

если бы не их низкий КПД (не более 0,5%). Значительно бóльшим КПД обладают полупроводниковые термопары. У них значительно больший коэффициент ТЭДС и меньше теплопроводность, что уменьшает тепловые потери – передачу тепла вдоль термопары от одного спая к другому,

охлаждение нагреваемой части термопары внешней атмосферой.

Полупроводниковые термоэлектрогенераторы используются для прямого преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую на космических аппаратах.

С повышением температуры уровень Фéрми у полупроводников как p ,

так и n типа смещается к середине запрещенной зоны. В результате зонная диаграмма искривляется, как это показано на рис. 35.38. ТЕДС равняется разности потенциалов точек B и A :

Потенциальная энергия электрона, прошедшего по замкнутой цепи между точками A и B, уменьшается на величину wх wг , а кинетическая энергия его направленного движения, т. е. энергия электрического тока, возрастает на ту же величину.

С помощью термопары можно измерять температуру спая (или, точнее, разность температур между двумя спаями). Включенный в цепь гальванометр измеряет силу тока I E / R, где R – полное сопротивление цепи. Отсюда определяется E , а по ТЭДС – разность температур.

Гальванометр можно, для данной термопары,

проградуировать так, чтобы он показывал сразу разность температур. Если соединить несколько (N ) термопар последовательно в так называемый

термостолбик (рис. 35.39) и нагревать спаи, выведенные в одну сторону,

точность измерений повышается в N раз. Термостолбиком, подключенным к точному гальванометру, можно обнаружить горящую свечу на расстоянии порядка километра или измерить интенсивность света звезды.

388

зависящий от природы контактирующих веществ и от температуры. При

изменении направления тока меняется знак Q .

Коэффициент Пельтье Р имеет наибольшее значение в случае контакта

двух полупроводников с различным типом проводимости. На рис. 35.40 на

левом p n переходе электроны и дырки, поддерживая ток в указанном на

рисунке направлении (слева направо), движутся навстречу друг другу.

Встретившись, они рекомбинируют, т. е. электрон из зоны проводимости занимает вакансию в валентной зоне. При этом энергия электрона уменьшается на величину ширины запрещенной зоны W . Выделившаяся энергия поглощается атомами решетки, что приводит к повышению температуры спая.

рождения пары, т. е. для перебрасывания электрона из валентной зоны в зону проводимости, берется у кристаллической решетки. В результате температура правого спая понижается.

Эффект Пельтье используется в микрохолодильниках, предназначенных для охлаждения микросхем компьютеров, стабилизаторах температуры кварцевых генераторов и др. Для охлаждения деталей, находящихся в замкнутом объеме, (см. рис. 35.41) выбирается такое направление тока, при котором температура спаев, находящихся в этом объеме, понижается.

35.20. Эффект Томсона

Эффект Томсона состоит в выделении или поглощении тепла в

проводнике с током, вдоль которого имеется перепад температуры,

происходящем помимо выделения джоулевого тепла QДж I2Rt . Количество

тепла, выделяющееся вследствие эффекта Томсона за время t на участке проводника с перепадом температуры T при силе тока I , равно

где – коэффициент Томсона, зависящий от материала проводника.

Знак тепла Томсона зависит от относительного направления тока и градиента температуры. Если направление тока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, то при переходе из более нагретого участка в более холодный электроны тормозятся и передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется тепло). При обратном направлении тока электроны переходят из более холодного участка в более горячий. В

процессе установления теплового равновесия с решеткой электроны забирают у нее часть энергии, в результате чего температура решетки снижается

(поглощается тепло).

390