Напівпровідниковий діод. P-n перехід.

Напівпровіднико́вий діо́д  — це напівпровідниковий прилад з одним випрямним електричним переходом і двома зовнішніми виводами.Випрямним електричним переходом, в напівпровідникових діодах, може бути електронно-дірковий перехід, гіперперехід або контакт метал-напівпровідник.Випрямний перехід, окрім ефекту випрямлення, має й інші властивості, що використовуються для створення різних видів напівпровідникових діодів: випрямних діодів, стабілітронів, лавинно-пролітних діодів, тунельних діодів, варикапів та інших. Тому напівпровідникові діоди поділяють: на випрямні, високочастотні та надвисокочастотні, імпульсні, опірні (стабілітрони), чотиришарові перемикаючі, фотодіоди, світлодіоди, тунельні діоди та інші.Загалом, механізм односторонньої провідності у діодів однаковий, проте для його створення можна використовувати не лише виключно напівпровідники, а й метали.Застосовується практично у всіх електронних схемах, та в багатьох електричних.p-n перехід — область контакту напівпровідників p- та n-типу, яка характеризується одностороннім пропусканням електричного струму.

В напівпровіднику p-типу концентрація дірок набагато перевищує концентрацію електронів. В напівпровіднику n-типу концентрація електронів набагато перевищує концентрацію дірок. Якщо між двома такими напівпровідниками встановити контакт, то виникне дифузійний струм — носії заряду, хаотично рухаючись перетікатимуть із тієї області, де їх більше у ту область, де їх менше. При такій дифузії електрони та дірки переносять із собою заряд. Як наслідок, область на границі стане зарядженою. Та область у напівпровіднику p-типу, яка примикає до границі розділу, отримає додатковий негативний заряд, принесений електронами, а погранична область в напівпровіднику n-типу отримає позитивний заряд, принесений дірками. Таким чином, границя розділу буде оточена двома областями просторового заряду протилежного знаку.

Електричне поле, яке виникає внаслідок утворення областей просторового заряду, спричиняєдрейфовий струм у напрямку протилежному дифузійному струму. Врешті-решт, між дифузійним і дрейфовим струмами встановлюється динамічна рівновага і перетікання зарядів припиняється.

Якщо прикласти зовнішню напругу таким чином, щоб створене нею електричне поле було направленим в протилежному напрямку до напрямку електричного поля між областями просторорового заряду, то динамічна рівновага порушується, і дифузійний струм переважатимедрейфовий струм, швидко наростаючи з підвищенням напруги. Таке під'єднання напруги до p-nпереходу називається прямим зміщенням.

Якщо ж зовнішня напруга прикладена так, що створене нею поле є такого ж напрямку що і поле між областями просторового заряду, то це призводить лише до збільшення областей просторового заряду, й струм через p-n перехід не проходитиме. Таке під'єднання напруги до p-n переходу називається зворотним зміщенням.

На властивостях p-n переходів ґрунтується робота численних напівпровідникових приладів:діодів, транзисторів, сонячних елементів, світлодіодів тощо.

ТЕПЛОВІ ЕФЕКТИ В КОНТАКТАХ.ЕФЕКТИ ЗЕЕБЕКА, ПЕЛЬТЬЄ, ТОМСОНА.

Ефект Зеєбека - явище виникнення ЕРС в замкнутому електричному ланцюзі, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими знаходяться при різних температурах. Ефект Зеєбека також іноді називають просто термоелектричним ефектом.

Ефект Зеєбека полягає в тому, що в замкнутій ланцюга, що складається з різнорідних провідників, виникає термо-ЕРС, якщо місця контактів підтримують при різних температурах. Ланцюг, що складається тільки з двох різних провідників називається термоелементом або термопарою. Величина виникає термоедс залежить тільки від матеріалу провідників і температур гарячого ( ) І ХОЛОДНОГО ( )контактівУ невеликому інтервалі температур термоедс можна вважати пропорційною різниці температур: де - Термоелектрична здатність пари (або коефіцієнт термоЕРС). У простому випадку коефіцієнт термоЕРС визначається лише матеріалами провідників, проте строго кажучи, він залежить і від температури, і в деяких випадках з зміною температури змінює знак. Більш коректне вираз для термоедс:

Величина термоедс становить мілівольт при різниці температур в 100 К і температурі холодного спаю в 0 ° С

Ефект Томсона — явище нагрівання або охолодження провідника зі струмом в умовах існування градієнта температури.

Ефект Томсона характеризується коефіцієнтом Томсона.

Виділення або поглинання тепла можна записати у вигляді

,

де dQ — кількість теплоти, яка виділяється або поглинається на ділянці провідника dx, I — сила струму, Т — температура, σ — коефіцієнт Томсона. Ця формула не враховує джоулевого тепла, яке виділяється при проходженні струму в провідниках і пропорційне квадрату сили струму (див, закон Джоуля-Ленца).

При проходженні струму через неоднорідно нагрітий провідник носії заряду переходять із області високої температури, де вони мають більшу енергію, в область низької температури, або навпаки. При цьому їм потрібно або отримати енергію від коливань ґратки, охолоджуючи її, або віддачи енергію коливанням ґратки, нагріваючи її.

Елемент Пельтьє - це термоелектричний перетворювач, принцип дії якого базується на ефекті Пельтье - виникненні різниці температур при протіканні електричного струму. В англомовній літературі елементи Пельтье позначаються TEC.

В основі роботи елементів Пельтье лежить контакт двох струмопровідних матеріалів з різними рівнями енергії електронів в зоні провідності. При протіканні струму через контакт таких матеріалів, електрон повинен придбати енергію, щоб перейти в більш високоенергетичну зону провідності іншого напівпровідника. При поглинанні цієї енергії відбувається охолодження місця контакту напівпровідників. При протіканні струму в зворотному напрямку відбувається нагрівання місця контакту напівпровідників, додатково до звичайного теплового ефекту. При контакті металів ефект Пельтьє настільки малий, що непомітний на тлі омічного нагріву і явищ теплопровідності. Тому при практичному застосуванні використовуються контакт двох напівпровідників.

Елемент Пельтье складається з однієї або більше пар невеликих напівпровідникових паралелепіпедів - одного n-типу і одного p-типу в парі (зазвичай телуриду вісмуту, Bi₂Te₃  и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Протекающий электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К.

Елементи Пельтье застосовуються в ситуаціях, коли необхідно охолодження з невеликою різницею температур, або енергетична ефективність охолоджувача не важлива. Наприклад, елементи Пельтьє застосовуються в ПЛР-ампліфікатора, маленьких автомобільних холодильниках, так як застосування компресора в цьому випадку неможливо через обмежені розмірів, і, крім того, необхідна потужність охолодження невелика.Крім того, елементи Пельтьє застосовуються для охолодження пристроїв з зарядовим зв'язком у цифрових фотокамерах. За рахунок цього досягається помітне зменшення теплового шуму при тривалих експозиціях (наприклад в астрофотографії). Багатоступінчасті елементи Пельтье застосовуються для охолодження приймачів випромінювання в інфрачервоних сенсорах.Також елементи Пельтье часто застосовуються для охолодження та термостатування діодних лазерів з тим, щоб стабілізувати довжину хвилі випромінювання.У приладах, при низькій потужності охолодження, елементи Пельтьє часто використовуються як друга чи третя ступінь охолодження. Це дозволяє досягти температур на 30-40 До нижче, ніж за допомогою звичайних компресійних охолоджувачів (до -80 для одностадійного холодильників і до -120 для двостадійний).

ДІЕЛЕКТРИЧНА ПОСТІЙНА, ДІЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ, ДІЕЛЕКТРИЧНА СПРИЯТЛИВІСТЬ.

Діелектр́ична прон́икність (діелектрична стала) середовища ε — безрозмірна величина, що характеризує ізоляційні властивості середовища. Вона показує, у скільки разів взаємодія між зарядами в однорідному середовищі менша ніж у вакуумі.

Зменшення сили взаємодії між зарядами викликано процесами поляризації середовища. У електричному полі електрони в атомах та молекулах зміщуються відносно йонів, і виникає наведений дипольний момент. Ті молекули, які мають власний дипольний момент (наприклад, молекула води), орієнтуються в електричному полі. Дипольні моменти створюють своє електричне поле, яке протидіє тому полю, що зумовило їх появу. В результаті сумарне електричне поле зменшується. При невеликих полях таке зменшення можна описати за допомогою діелектричної проникності.

Сильні електричні поля можуть сильно змінити процеси, які відбуваються в середовищі. Наприклад, може наступити пробій. У такому випадку поняття діелектричної проникності втрачає сенс.

При розгляді незмінних із часом електричних полів вводять поняття статичної діелектричної проникності. Статична діелектрична проникність встановлює зв'язок між вектором електричної індукції  й напруженістю електричного поля  . Загалом напрямки цих векторів не збігаються, тож діелектрична проникність є тензорною величиною.

.

Формула записана в системі СГС.

У системі СІ вектор електричної індукції й напруженість електричного поля мають різну розмірність, тому  потрібно ще додатоково помножити на певний коефіцієнт перетворення до інших одиниць ε₀, який тепер офіційно називають електричною сталою а раніше називали діелектричною проникністю вакууму.

.

Для ізотропних середовищ, у яких немає виділеного напрямку, тензор діелектричної проникності має діагональну форму й характеризується одним характерним для середовища числом, який називають діелектричною сталою середовища. Відповідно, у СІ   називають відносною діелектричною проникністю.

Відносна діелектрична проникність ε_r може бути визначена шляхом порівняння електричної ємності тестового електричного конденсатора з певним діелектриком (C_x) і ємності того жконденсатора у вакуумі (C_o):

Фізична картина, яка лежить в основі відгуку (реакції) середовища на змінне електричне поле, має суттєво інший характер. Зовнішнє електричне поле викликає зміщення зарядів і утворення наведених дипольних моментів, але цей процес відстає від зміни зовнішнього поля. В такому випадку, електричне поле створене наведеними дипольними моментами, залежить від того, яким було зовнішнє електричне поле в попередні моменти часу.

Враховуючи відставання відклику середовища від зміни поля, для поляризації   можна записати^[1]

.

В такому випадку можна ввести залежну від частоти зовнішної електромагнітної хвилі діелектричну проникність  , яка пов'язує між собою вектори електричної індукції та напруженості електричного поля електромагнітної хвилі з частотою ω.

.

Залежну від частоти діелектричну проникність часто називають діелектричною функцією. Вона зв'язана із залежною від частоти поляризовністю   співвідношенням

Наведений зв'язок справедливий тільки для слабких полів, коли нелінійні ефекти не грають великої ролі.

Діелектрична функція є загалом комплексною величиною, тобто має дійсну й уявну сладові. Зазвичай їх позначають   та  .

Якщо дійсна складова діелектричної проникності аналогічна діелектричній сталій, описуючи зумовлене поляризацією зменшення електричного поля в речовині, то уявна частина описуєструми, які виникають в речовині в змінному електричному полі. Діелектрики, які не проводять постійного струму, можуть проводити змінні струми, зв'язані із періодичним зміщенням зв'язаних електронів відносно ядер.

В оптичному діапазоні дійсна складова діелектричної проникності зв'язана з показником заломлення, а уявна частина - із затуханням світла. Уявна частина діелектричної функції завжди додатня для середовища, яке поглинає світло

.

Від'ємні значення уявної складової діелктричної проникності виникають лише для дуже нерівноважних середовищ, у яких можливе підсилення світла (див. лазер).

Загалом принцип причинності накладає певні обмеження на можливі значення дійсної та уявної складових діелектричної проникності, які задаються співвідношеннями Крамерса-Кроніґа.

Діелектрична функція в оптичному частотному діапазоні зв'язана із показником заломлення світла співвідношеннням:

,

де n - показник заломлення, κ - коефіцієнт затухання світла.

У випадку, коли затухання мале (світло розповсюджується в прозорому середовищі),

.

Діелектрична сприйнятливість — фізична величина, що характеризує властивість речовини поляризуватись, тобто змінювати свою поляризацію   під дією електричного поля

Для анізотропного середовища   — тензор. Діелектрична сприйнятливість повязана з діелетричною проникністю:

Тому діелектрична проникність володіє тими ж властивостями (залежність від різних параметрів середовища і зовнішніх умов), що і діелектрична проникність. В системі СІ діелектрична сприйнятливість — безрозмірна величина. У діелектриків вона як правило додатня, для вакууму