12. Ток в вакууме

Электронный пучок можно получить за счет термоэлектронной эмиссии в электронных лампах. Двухэлектродная лампа (вакуумный диод, рис. 3.25) состоит из подогретого катода (обычно цепь накала, изображенную на рисунке, не показывают) и анода, который заряжен положительно относительно катода. Если не включена цепь накала, то гальванометр не показывает никакого тока. Стоит включить ток накала, катод начинает испускать электроны, некоторые из них достигают анода даже при отсутствии анодной батареи. Под воздействием электрического поля между электродами электронное облако «отсасывается» к аноду, гальванометр показывает анодный ток. При увеличении анодного напряжения анодный ток растет (рис. 3.25), концентрация электронного облака уменьшается и при определенном анодном напряжении становится равной нулю – все вылетающие из катода электроны участвуют в анодном токе. При дальнейшем росте анодного напряжения ток не изменяется, это ток насыщения, сила которого не зависит от анодного напряжения.

Д ля увеличения силы тока насыщения надо повысить температуру катода, чего можно достигнуть увеличением силы тока накала (рис. 3.26; пунктирные кривые).

Можно приложить к лампе отрицательное напряжение, т.е. поменять полярность анодной батареи. При достаточном напряжении практически ни один электрон не достигнет анода – лампа будет «заперта». Таким образом, диод обладает односторонней проводимостью, что позволяет использовать его в качестве выпрямителя переменного тока.

13. Ток в полупроводниках

Полупроводники – вещества, занимающие по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Хорошие диэлектрики имеют удельную проводимость См/м; хорошие проводники См/м. Полупроводники имеют промежуточные значения проводимости; проводимость полупроводника зависит от условий, в которых он находится (температуры, освещенности), от технологии изготовления данного образца, в частности от наличия и концентрации примесей.

Типичными полупроводниками являются элементы четвертой группы таблицы Менделеева кремний и германий. Рассмотрим некоторые их свойства.

Ч етырехвалентные атомы чистого полупроводника связаны друг с другом ковалентными связями, при которых два валентных электрона близких атомов обобществляются, становятся «собственностью» двух атомов и связывают их. Кристаллическая решетка германия или кремния (рис. 3.27) - типа алмазной. В этой решетке ячейки представляют собой правильные тетраэдры, в вершинах которых расположены атомы. Пятый атом находится в середине тетраэдра и связан со своими ближайшими соседями. Плоская проекция такой решетки схематически изображена на рисунке 3.28. Каждая черточка обозначает один из электронов ковалентной связи, кружки – атомы полупроводника.

При 0 К все связи заполнены и свободных зарядов нет, полупроводник является диэлектриком. С повышением температуры появляется некоторое количество атомов, энергия которых достаточна для разрыва ковалентной связи. Эта энергия называется энергией генерации. Такой атом может передать энергию одному из электронов, тогда разорвется одна ковалентная связь. В результате образуется свободный электрон и дырка 1.

В полупроводнике идет и процесс, обратный генерации, в результате которого встречаются и рекомбинируют свободный электрон и дырка, и выделяется (переходит во внутреннюю) энергия генерации. Конечно, на место одного электрона может попасть другой, при этом ничего не изменится. Значит, при определенной температуре устанавливается динамическое равновесие процессов генерации и рекомбинации, которому соответствует определенная концентрация свободных зарядов.

Свободный электрон может двигаться по всей толщине образца, участвуя в хаотическом движении. Дырка – это не просто положительный заряд. В полупроводнике происходят процессы замещения свободного (вакантного) места связанным электроном другого атома, не требующие затраты энергии. За счет энергии решетки разрывается одна ковалентная связь атома 2 (на что затрачивается энергия генерации), освободившийся электрон рекомбинирует с дыркой 1, в результате чего выделяется такая же энергия, возвращаемая решетке. Результатом этого процесса, прошедшего без затраты энергии, является исчезновение дырки 1 и появление дырки 2, т.е. переход дырки из положения 1 в положение 2. Значит, дырка является свободным зарядом, ибо только он может переходить с места на место без затраты энергии. Следовательно, в процессе генерации образуются два свободных заряда – электрон и дырка. Дырки тоже участвуют в хаотическом движении, так как описанный переход связанного электрона к дырке с разных направлений равновероятен. При наложении внешнего поля свободные электроны получают преимущественное направление движения и дрейфуют против поля, связанные электроны тоже преимущественно переходят на дырки против поля, что соответствует преимущественному дрейфу дырок вдоль поля. Возникает электрический ток, свободными зарядами которого являются электроны и дырки.

Таков механизм собственной проводимости полупроводника; ее можно назвать электронно-дырочной; концентрации свободных электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаковы. При увеличении температуры увеличивается количество атомов решетки, энергия которых больше или равна энергии генерации. Соответственно сдвигается подвижное равновесие процессов рекомбинации и генерации в сторону увеличения числа генераций. Увеличивается концентрация свободных электронов и дырок, что ведет к уменьшению сопротивления и увеличению проводимости данного образца.

Полупроводниковые термосопротивления (термисторы) используются для очень точных измерений температуры или интенсивности излучения. Увеличивается проводимость полупроводника и при его освещении, так как теперь энергию генерации можно получить за счет лучистой энергии. Полупроводниковое фотосопротивление изменяется при изменении освещенности, что позволяет применять его, например, в процессах автоматического управления.

Представим себе кристаллическую решетку чистого полупроводника, в которую внедрено небольшое количество атомов примеси пятой группы таблицы Менделеева, например фосфора (рис. 3.29, а). Атомы примеси соединяются четырьмя своими валентными электронами с четырьмя атомами решетки, образуя ковалентные связи. Пятый электрон примеси остается связанным только со своим ядром, т.е. связан с решеткой слабее других электронов. Чтобы оторвать пятый электрон примеси и сделать его свободным, требуется энергия, гораздо меньшая энергии г енерации. Такой небольшой энергии при комнатной температуре обладает достаточное количество атомов решетки, поэтому практически все пятые электроны примеси станут свободными. В таком полупроводнике кроме электронов и дырок собственной проводимости появляется дополнительное число свободных электронов, концентрация которых определяется концентрацией примеси. При концентрации примерно 1 атом примеси на 10⁶ атомов чистого полупроводника (концентрация которого ) появляется дополнительно 10¹⁶ свободных электронов в 1 см³ (для сравнения концентрация свободных электронов и дырок ~10¹³ см ^–3). Атомы примеси становятся положительными связанными ионами (не дырками! Для их перемещения надо затратить энергию, не намного меньшую энергии активации). Примесь такого рода называется донорной¹⁶. Примесная проводимость полученного полупроводника называется электронной, а электроны в нем – основными свободными зарядами. Полупроводник, основными свободными зарядами которого являются электроны, называют полупроводником n-типа¹⁷. Дырки в таком полупроводнике – неосновные свободные заряды.

Внедрим в кристаллическую решетку чистого полупроводника небольшое количество атомов третьей группы таблицы Менделеева (например, индия; рис. 3.29, б). Тремя своими валентными электронами он вступит в ковалентные связи с соседями. Четвертая связь остается незаполненной. До устойчивого слоя из восьми электронов не хватает одного, который атом индия может принять с небольшой затратой энергии (гораздо меньшей энергии активации). Такой энергией при комнатной температуре обладает достаточно атомов, поэтому практически каждый атом примеси примет один электрон, на старом месте которого образуется дырка. Сам атом примеси при этом становится отрицательным связанным ионом. Количество дополнительных дырок в единице объема снова определяется концентрацией примеси, т.е. на несколько порядков выше концентрации собственных свободных зарядов. Такая примесь называется акцепторной¹⁸, примесная проводимость полупроводника – дырочной; дырки – основными свободными зарядами. Полупроводник, основными свободными зарядами которого являются дырки, называют полупроводником p-типа¹⁹. Неосновными свободными зарядами в нем являются электроны.