Электронно-дырочный переход

Рассмотрим физические процессы, происходящие в месте контакта двух полупроводников типа и типа. В полупроводнике типаосновными носителями тока являются электроны, в полупроводнике типа – дырки. Такой контакт называется электронно-дырочным переходом или переходом. На практике переход создается не механическим соединением, а образованием и областей в процессе выращивания кристалла или диффузией примесных атомов в уже готовый кристалл.

Поскольку в области преобладают электроны проводимости, а в области – дырки, то в области контакта существуют встречные градиенты концентрации электронов и дырок , где и – концентрации электронов и дырок, – пространственная координата по нормали к границе контакта. Тепловое движение электронов и дырок создает диффузионный ток плотностью

, (35.10)

где и – коэффициенты диффузии электронов и дырок.

В процессе диффузии электроны проникают в область, где рекомбинируют с дырками, а дырки, проникшие в область, рекомбинируют с электронами. Поэтому прилегающие к границе тонкие слои полупроводника будут обеднены на носители тока. Зато проявятся заряды неподвижных примесных ионов, которые раньше компенсировались основными носителями тока. В прилегающем к границе слое области появится положительный объемный заряд, а в таком же слое области – отрицательныйобъемный заряд (см. рис. 35.16).

Таким образом, на границе перехода возникает двойной электрический слой. Вектор создаваемого им поля направлен от области к области. Хотя толщина этого слоя и невелика ( ), все же электропроводность его вследствие чрезвычайно низкой концентрации носителей тока очень мала. Поле создает дрейфовый ток (так называют ток, создаваемый электрическим полем, в отличие от диффузионного тока, создаваемого градиентом концентрации) напряженностью

, (35.11)

где и – подвижности электронов проводимости и дырок, соответственно. Если к переходу не подключено внешнее напряжение, то поле перехода создает ток неосновных носителей, концентрация которых очень мала. Контактная разность потенциалов возрастает до тех пор, пока дрейфовый ток не уравновесит ток диффузионный.

Приконтактный слой со сниженной вследствие рекомбинации встречных потоков электронов и дырок концентрацией носителей тока называют запирающим слоем. В запирающем слое возникает контактная разность потенциалов или, иначе говоря, создается потенциальный барьер (несколько десятых вольта) для основных носителей тока.

Согласно представлениям зонной теории, область в результате диффузии электронов приобретает отрицательный потенциал , а область в результате диффузии дырок – положительный потенциал . Потенциальная энергия электрона в области возрастает на величину , а в области уменьшается на величину . Энергетические зоны области поднимаются, а энергетические зоны области опускаются до выравнивания уровней Фéрми обеих областей. В области перехода энергетические зоны изгибаются, как это показано на рис. 35.17.

 

 

Подключим к кристаллу с переходом внешний источник ЭДС, как показано на рис. 35.20. Теперь внешнее электрическое поле ослабляет встречное поле , снижается потенциальный барьер, как это показано на зонной диаграмме рис. 35.18. Сопротивление переходного слоя уменьшается, ток основных носителей резко возрастает. Под действием поля основные носители – электроны и дырки в толще полупроводника движутся к переходу, и толщина запирающего слоя уменьшается. Ток возрастает за счет обогащения запирающего слоя основными носителями. Направление тока, прохождению которого переход практически не оказывает сопротивления, называется прямым или пропускным. Прямой ток проходит через переход от дырочного ( ) полупроводника к электронному ( ).

Изменим теперь полярность включения источника ЭДС (рис. 35.21). В этом случае векторы и имеют одинаковое направление, потенциальный барьер, как это показано на зоной диаграмме рис. 35.19, повышается. Сопротивление запирающего слоя еще больше возрастают. Электроны и дырки перемещаются в противоположных направлениях от перехода, который, таким образом, обедняется на основные носители тока. Такое направление поля называется обратным или непропускным. Незначительный обратный ток может поддерживаться лишь за счет неосновных носителей тока.

На рис. 35.22 показана статическая вольт-амперная характеристика перехода зависимость тока через переход от приложенного к переходу внешнего напряжения . Участку А характеристики соответствует прямой ток, а участку В – малый обратный ток. Обратный ток уже при достаточно малых значениях обратного напряжения достигает насыщения, когда практически все зарождающиеся в толще полупроводника неосновные носители рекомбинируют в области перехода и поэтому обратный ток не может больше возрастать, несмотря на увеличение напряжения. При достаточно высоком обратном напряжении количество неосновных носителей лавинообразно нарастает вследствие ионизации атомов полупроводника ускоренными электрическим полем электронами, происходит электрический пробой перехода. При этом величина тока стремительно растет (участок С характеристики), и контактный слой может разрушиться. На участках А и Б вольт-амперная характеристика перехода описывается выражением

, (35.12)

где – обратный ток насыщения, – элементарный заряд, – постоянная Больцмана, – абсолютная температура.

 

Полупроводниковый диод

Как видим, контакт двух примесных полупроводников с переходом обладает односторонней проводимостью. Способность перехода пропускать ток только в одном направлении используется в силовых установках тока и в радиотехнике для выпрямления и преобразования высокочастотных электрических колебаний. Прибор с одним переходом называется полупроводниковым диодом (см. рис. 35.23).

Стрелка в обозначении полупроводникового диода на схемах соответствует прямому току. Во время положительного полупериода входного напряжения сопротивление диода очень мало по сравнению с сопротивлением резистора R, на котором падает выходное напряжение, поэтому . Во время отрицательного полупериода сопротивление диода, наоборот, намного превышает сопротивление резистора R, поэтому . Графики зависимости и от времени приведены на рис. 35.24.


Транзистор

Транзистор – это электронный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот.

Наиболее распространенный транзистор изготовляется на базе кристаллической пластинки германия, кремния или другого полупроводника размером приблизительно 2 на 2 мм с электронной ( типа, см. рис. 35.25), или дырочной ( типа, см. рис. 35.26) электропроводностью. Контролируемым введением примеси с противоположных граней пластинки создаются области (эмиттер и коллектор), имеющие тип проводимости, противоположный типу проводимости самой пластинки (базы). Примеси продолжают вводить до тех пор, пока толщина слоя базы, разделяющего эмиттер и коллектор, не уменьшится до . Между эмиттером и базой а также между коллектором и базой возникают два

 
 

перехода, каждый из которых имеет такие же электрические свойства, как и
 
 

полупроводниковый диод.

Если база имеет электропроводность типа, а эмиттер и коллектор – электропроводность типа, то такой транзистор будет иметь структуру (рис. 35.25). Если, наоборот, база имеет электропроводность типа, а эмиттер и коллектор электропроводность типа, то это транзистор со структурой (рис. 35.26). В области коллектора при роботе транзистора выделяется больше тепла, поэтому коллектор делают большим по объему, чем эмиттер. Электронно-дырочный переход между коллектором и базой называется коллекторным, между эмиттером и базою – эмиттерным.

Условные графические изображения на схемах транзисторов разных структур отличаются направлением стрелки, символизирующей эмиттер. У транзистора структуры стрелка эмиттера повернута к базе (рис. 35.27, а у транзистора – от базы (рис. 35.28). Стрелка эмиттера указывает направление тока через транзистор. Схема простейшего усилителя колебаний звуковой частоты показана на рис. 35.29.

Усиливаемый сигнал подается на зажимы “Вход”. Участок коллекторной цепи, к которому подключены телефоны BF, является выходом усилителя. Батарея GB напряжением служит источником питания усилителя. Поскольку в усилителе используется транзистор структуры , батарея отрицательным полюсом соединена с эмиттером, а положительным – с коллектором (через телефоны).

Резистор является линейным элементом, так как его сопротивление не зависит от тока, а следовательно, зависимость напряжения от тока линейна. Транзистор можно рассматривать как нелинейный элемент, подключенный между отрицательным полюсом батареи питания и телефонами, сопротивление которого изменяется в соответствии с величиной входного сигнала. Если входное напряжение возрастает, то уменьшается сопротивление этого элемента, увеличивается величина тока, протекающего через этот элемент и телефоны. Если входное напряжение уменьшается, то сопротивление этого элемента растет и уменьшается величина тока, текущего через этот элемент и через телефоны. Этот элемент вместе с телефонами образует делитель напряжения, к которому подключена батарея питания. При увеличении (уменьшении) входного напряжения сопротивление нелинейного элемента уменьшается (увеличивается), а следовательно, уменьшается (увеличивается) напряжение на этом элементе. Переменная составляющая этого напряжения рассматривается как выходное напряжение усилителя. Графики зависимости и от времени приведены на рис. 35.30.

Изменять сопротивление нелинейного элемента можно, увеличивая или уменьшая концентрацию носителей тока. Коллекторный переход включен в запорном направлении и поэтому носителей тока в коллекторном переходе практически нет.

Чтобы иметь возможность ввести носители тока в коллекторный переход, между базой транзистора и положительным проводом питания включен резистор , сопротивление которого подбирают при наладке усилителя (на схемах резисторы, величина которых требует подбора, помечаются звездочкой). Через этот резистор и через эмиттерный переход транзистора течет ток, поскольку на эмиттерныйпереход напряжение подается в прямом направлении. Большая часть напряжения падает на резисторе . Между базой и эмиттером устанавливается небольшое постоянное напряжение (для германиевых транзисторов 0,1...0,2 В, для кремниевых 0,6...0,7 В), которая называется напряжением смещения.

Толщина слоя базы, разделяющего эмиттер и коллектор, очень мала (0,1...1 мкм), и поэтому большая часть (около 99%) носителей тока (электронов), выходящих из эмиттера, вследствие хаотического теплового движения попадают в область коллекторного перехода. Введение носителей тока через переход в область, где они являются неосновными, называется инжекцией. Наличие носителей тока в области коллекторного перехода приводит к снижению его сопротивления. В цепи “отрицательный полюс батареи питания – эмиттер – коллектор – телефоны – положительный полюс батареи питания” течет электрический ток.

Конденсатор – вспомогательный элемент усилителя: он не создает заметного сопротивления входному сигналу и в то же время препятствует замыканию постоянного тока базовой цепи транзистора на отрицательный полюс батареи питания через источник сигнала.

Ко входу усилителя можно подключить звукосниматель электропроигрывателя. Слабый сигнал звуковой частоты, создаваемый звукоснимателем, будет вызывать периодическую перезарядку конденсатора . Таким образом, вместе с постоянным током через эмиттерный переход будет протекать еще и переменный ток звуковой частоты. Сопротивление коллекторного перехода будет меняться по закону изменения сигнала звуковой частоты. Поэтому и ток в телефонах будет изменяться по тому же закону. Телефоны будут возбуждать звуковые волны в воздухе. Таким образом, транзистор усиливает слабый сигнал, создаваемый звукоснимателем.

Если в усилителе используется транзистор типа , то изменяется полярность подключения батареи питания.

Возможно, у вас уже возник вопрос, как же поддерживается пропускной ток в области диода или транзистора? Казалось бы, этот ток должен быстро прекратиться вследствие исчерпания дырок в области. Но это не так. В момент подключения области к электрической цепи электроны из металлического провода диффундируют в область и рекомбинируют здесь с дырками. Поэтому на границе металла и области полупроводника возникает потенциальный барьер (точно такой же, как и в переходе), который приостанавливает дальнейшую диффузию. Потенциал области становится при этом отрицательным относительно металла. Когда же часть дырок через переход покидает область, разность потенциалов в контакте область – металл возрастает и напряженность этого поля становится достаточной, чтобы оторвать валентный электрон от атома полупроводника. Возникшая дырка движется к переходу, а электрон идет в металл и поддерживает ток в проводе.

 

Микроэлектроника

Микроэлектроника – это отрасль электроники, разрабатывающая интегральные микросхемы – электронные устройства (усилители, 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 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 толщиной около 0,1 мкм. На рис. 34.36 показан фрагмент микросхемы с одним транзистором. Линейные размеры транзистора около 1 мкм.

 

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.

Принципиальная схема фоторезистора приведена на рис. 35.31. Изолирующая подложка 1 покрыта тонким слоем полупроводника 2, к которому прикреплены металлические электроды 3, обеспечивающие надежный контакт. Эти детали размещены в эбонитовой оправе с окошком.

Для защиты светочувствительной поверхности 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 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.

 

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

Фотодиод

При освещении перехода фотонами с энергией , превышающей ширину запрещенной зоны , как в области, так и в области электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. При этом образуется пара носителей: электрон проводимости и дырка. Под действием электрического поля запирающего слоя дырки, как это показано на зонной диаграмме рис. 35.34 движутся из области в область (они как бы всплывают подобно воздушным пузырькам в воде), а электроны – из области в область (они как бы скатываются по потенциальному склону). В переходе возникает ЭДС. Если теперь к и областям подключить внешнюю электрическую цепь, то в такой замкнутой цепи возникнет электрический ток. Таким образом, переход преобразует световую энергию в электрическую.

Прибор, в котором используется это явление, называется фотодиодом. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: 1) без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора); 2) с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). На рис. 35.35 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 области, фотодиод подключается к внешней цепи с сопротивлением нагрузки с 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.

 

Светодиод

Светодиоды – это излучающие полупроводниковые приборы с одним 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 переходе испускается фотон. Рекомбинация не всегда сопровождается излучением. Так, в германиевых переходах электрическая энергия почти полностью превращается втепловую, 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 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.

Полупроводниковый лазер

Инжекционный полупроводниковый лазер представляет собой полупроводниковый кристалл размером около 1 мм, в котором сформирован переход (см. рис. 35.37). Две перпендикулярные к плоскости 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 . Область типа получают внесением в арсенид галлия примеси теллура в концентрации , область типа – внесением примеси цинка в концентрации . Это очень большая концентрация примесей. В обычных диодах она намного меньше (около ).

Ток, проходящий через переход, вбрасывает в область 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 . Рассмотрим судьбу фотона, движущегося вдоль 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 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 переходапереходу перпендикулярно к зеркалам, многократно усиливается. Часть этого луча выходит наружу через полупрозрачные зеркала. Те же 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 гетероструктурах, т. е. такие, в которых область и область представлены разнородными полупроводниками, например, область – арсенидом галлия , а область – . Последний кристалл представляет собой тот же арсенид галлия, в котором доля атомов галлия заменена атомами алюминия. В зависимости от доли атомов алюминия изменяются свойства перехода. Лазеры на гетероструктурах уже не требуют охлаждения, в зависимости от структуры могут испускать свет с длиной волны от 0,32 мкм (ультрафиолет) до 32 мкм (инфракрасные лучи), имеют КПД . 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.

 

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 запрещенной зоны . 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 , , ), либо пластинку из полупроводника, например . 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.

 

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

, (35.13)

где и – 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 . Термопара представляет собой прибор, 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 , так и типа смещается к середине запрещенной зоны. В результате зонная диаграмма искривляется, как это показано на рис. 35.38. ТЕДС равняется разности потенциалов точек и :

. (35.14)

Потенциальная энергия электрона, прошедшего по замкнутой цепи между точками и , уменьшается на величину , 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 , где – полное сопротивление цепи. Отсюда определяется , а по ТЭДС – разность температур. Гальванометр можно, для данной термопары, проградуировать так, чтобы он показывал сразу разность температур. Если соединить несколько ( ) термопар последовательно в так называемый термостолбик (рис. 35.39) и нагревать спаи, выведенные в одну сторону, точность измерений повышается в раз. Термостолбиком, подключенным к точному гальванометру, можно обнаружить горящую свечу на расстоянии порядка километра или измерить интенсивность света звезды.

35.19. Эффект Пельтье

Эффект Пельтье состоит в том, что при пропускании тока по цепи, составленной из нескольких проводников, в дополнение к джоулевому теплу , в одном из спаев выделяется, а в другом поглощается некоторое количество тепла

, (35.15)

где – сила тока, – время его пропускания, – коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих веществ и от температуры. При изменении направления тока меняется знак .

Коэффициент Пельтье имеет наибольшее значение в случае контакта двух полупроводников с различным типом проводимости. На рис. 35.40 на левом 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 . Выделившаяся энергия поглощается атомами решетки, что приводит к повышению температуры спая. На правом переходе электроны и дырки отсасываются внешним электрическим полем от границы раздела и области. Термодинамическое равновесие в распределении электронов по энергиям нарушается и поэтому здесь чаще происходят процессы рождения пар электрон – дырка, чем их рекомбинация. Энергия, необходимая для 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.

 

Эффект Томсона

Эффект Томсона состоит в выделении или поглощении тепла в проводнике с током, вдоль которого имеется перепад температуры, происходящем помимо выделения джоулевого тепла . Количество тепла, выделяющееся вследствие эффекта Томсона за время на участке проводника с перепадом температуры при силе тока , равно

, (35.16)

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).


ГЛАВА 36. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АТОМНОГО ЯДРА

 

36.1. Размер, состав и заряд атомного ядра

Атомное ядро состоит из элементарных частиц протонов и нейтронов. Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоя mр = 1,6726×10-27 кг. Нейтрон (п) — нейтральная частица с массой покоя mn= 1,6749×10-27 кг. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется зарядом Zе, где Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z = 1 до 107.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: АZХ, где Х — символ химического элемента, Z — атомный номер (число протонов в ядре), А – массовое число (число нуклонов в ядре).

Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме. От числа же электронов зависит их распределение по состояниям в атоме, от которого в свою очередь, зависят химические свойства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутри атомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми зарядом Z, но разными массовыми числами А (т. е. с разными числами нейтронов N=А-Z) называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z —изобарами. Например, водород (Z=1) имеет три изотопа: (протий, дейтерий, тритий), олово десять, и т. д. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода), определяющимися в основном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента. Примером ядер-изобар могут служить ядра 104Ве, 105В, 106С. В настоящее время известно более 2500 ядер, отличающихся либо Z, либо А, либо тем и другим.

Радиус ядра задается эмпирической формулой

r = r0А1/3, (36.1)

где r0=(1,3÷1,7)×10-15м. Однако при употреблении этого понятия необходимо соблюдать осторожность (из-за его неоднозначности, например из-за размытости границы ядра). Из формулы вытекает, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (1017 кг/м3).