Физике. физика. Электродинамика Электрические токи в металлах, вакууме и газах. Электрический ток в жидкостях
 Скачать 4.58 Mb.
|
|
Эффект Зеебека Эффект Зеебека состоит в том, что если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру Т1 (горячий спай), а на другом температуру Т2 (холодный спай), то при условии Т1 не равна Т2 на концах цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е. При замыкании контактов в цепи появляется электрический ток. Эффект Зеебека:  При наличии в проводнике градиента температуры в нем возникает термодиффузионный поток носителей заряда от горячего конца к холодному. Если электрическая цепь разомкнута, то носители накапливаются на холодном конце, заряжая его отрицательно, если это электроны, и положительно в случае дырочной проводимости. При этом на горячем конце остается нескомпенсированный заряд ионов. Возникающее электрическое поле тормозит носители, движущиеся к холодному концу, и ускоряет носители, движущиеся к горячему. Формируемая градиентом температуры неравновесная функция распределения смещается под действием электрического поля несколько деформируется. Результирующее распределение таково, что ток равен нулю. Напряженность электрического поля пропорциональна вызвавшему его градиенту температуры. Величина коэффициента пропорциональности и его знак зависят от свойств материала. Обнаружить электрическое поле Зеебека и измерить термоэлектродвижущую силу можно лишь в цепи, составленной из разнородных материалов. Контактные разности потенциалов соответствуют разнице химические потенциалов материалов, приведённых в контакт. Эффект Пельтье Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте контакта выделяется или поглощается некоторое количество теплоты (в зависимости от направления тока). Когда электроны переходят из материала p-типа в материал n-типа через электрический контакт, им приходится преодолевать энергетический барьер и забирать для этого энергию у кристаллической решетки (холодный спай). Наоборот, при переходе из материала n-типа в материал p-типа электроны отдают энергию решетке (горячий спай). Эффект Пельтье:  Эффект Томсона Эффект Томсона состоит в том, что при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, в котором создан градиент температуры, в дополнение к теплоте Джоуля выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты. Физическая причина данного эффекта связана с тем, что энергия свободных электронов зависит от температуры. Тогда на горячем спае электроны приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Плотность свободных электронов также растет при повышении температуры, вследствие чего возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На горячем конце накапливается положительный заряд, на холодном – отрицательный. Перераспределение зарядов препятствует потоку электронов и при определенной разности потенциалов совсем его останавливает. Аналогично протекают вышеописанные явления и в веществах с дырочной проводимостью, с той лишь разницей, что на горячем конце накапливается отрицательный заряд, а на холодном – положительно заряженные дырки. Поэтому в веществах со смешанной проводимостью эффект Томсона оказывается несущественным. Эффект Томсона:  Практическое применение эффекта Томсона не нашел, но его можно использовать для определения типа примесной проводимости полупроводников. Практическое использование эффектов Зеебека и Пельтье Термоэлектрические явления: эффекты Зеебека и Пельтье - находят практическое использование в безмашинных преобразователях тепловой энергии в электрическую — термоэлектрогенераторах (ТЭГ), в тепловых насосах - охлаждающих устройствах, термостатах, кондиционерах, в измерительных системах и системах управления в качестве датчиков температуры, теплового потока (смотрите - Термоэлектрические преобразователи). Основой термоэлектрических приборов являются специальные полупроводниковые элементы-преобразователи (термоэлементы, термоэлектрические модули), например такие как TEC1-12706. 6.Собственная и примесная проводимость полупроводников Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном — «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» — дырочный ток проводимости. В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается. На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости. Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки». Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и л-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в р-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок». р—n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р—л-контакт будет проводить ток, электроны из д-области пойдут в р-область, а «дырки» из р-области в n-область (рис. 32).  В первом случае ток не равен нулю, во втором — ток равен нулю. Это означает, что если кр-области подключить «-» источника, а к л-области — «+» источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет. Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р- и n-типа  . Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия, их недостатком является зависимость сопротивления от температуры.В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор, который был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р—л-перехода. Основное применение транзистора — это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора наступил качественно новый этап развития электроники — микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, до 3500 элементов Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 2—5 мкм, погрешность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, размещенный на кристалле кремния размером 6x6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов. Однако в технике применяются также полупроводниковые приборы без р—n-перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фоторезисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видеомагнитофонами). 7. Акцепторные примеси и дырочная проводимость. Донорные примеси и электронная проводимость. Проводимость полупроводников чрезвычайно сильно зависит от примесей. Именно эта зависимость сделала полупроводники тем, чем они стали в современной технике. Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей возникает дополнительная – примесная проводимость. Изменяя концентрацию примесей, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Донорные примеси. При наличии примесей (мышьяка), даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными (отдающими) примесями. Полупроводники, имеющие донорные примеси, обладают большим числом электронов (по сравнению с числом дырок), называются полупроводниками n-типа. В полупроводниках n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными. Акцепторная проводимость.Если в качестве примеси взять индий, то характер проводимости полупроводников меняется. Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси называют акцепторными (принимающими) примесями. При наличии электрического поля дырки перемещаются по полю и возникает дырочная проводимость. Полупроводники с дырочной проводимостью называются полупроводниками р-типа. Основными носителями заряда в полупроводнике р-типа являются дырки, а неосновными – электроны. Цепные ядерные реакции. Термоядерная реакция. Применение ядерной энергии. Атомные ядра при взаимодействиях испытывают превращения. Эти превращения сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц. Ядерными реакциями называют изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Одноимённо заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена достаточно большая кинетическая энергия. Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия – дейтронам, α-частицам и другим более тяжёлым ядрам с помощью ускорителей. Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расщепить литий на две α-частицы:  .Превращение ядер сопровождается изменением их внутренней энергии (энергия связи). В рассмотренной реакции удельная энергия связи в ядрах гелия больше удельной энергии связи в ядре лития. Поэтому часть внутренней энергии ядра лития превращается в кинетическую энергию разлетающихся α-частиц. В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц. Энергетическим выходи ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции. Энергетический выход ядерной реакции также равен изменению кинетической энергии частиц, участвующих в реакции. 8. Экспериментальное определение ширины запрещенной зоны полупроводников. В прямозонных слаболегированных полупроводниках значение Еgможно найти по положению максимума краевого излучении. Под краевым подразумевают излучение, возникающее в результате межзонных переходов и излучательной рекомбинации свободных экситонов. При прямых межзонных переходахвеличина Еg в нелегированных полупроводниках соответствует энергии максимума полосы излучения. При низких температурах в таких полупроводниках наряду с межзонными переходами может происходить аннигиляция свободных экситонов. Энергия максимума экситонной полосы ниже величины Еg на энергию связи свободного экситона, которая не превышает 5–7мэВ. Идентификация механизма излучательного перехода (межзонный или экситонный) производится по ширине и форме полосы краевого излучения. Ширина экситонной полосы не превышает 1к0Т. В полупроводниках с резкими краями зон при межзонных переходах спектральная ширина полосы на половине ее высоты составляет приблизительно 1,7к0Т. Полоса имеет асимметричную форму: для нее характерна коротковолновая затяжка, обусловленная температурным размытием носителей по состояниям в зонах. С ростом температуры асимметрия полосы межзонного излучения увеличивается. При высоких температурах (Т»300К) экситоны разрушаются, и краевое излучение обусловливается межзонными переходами. В умеренно легированных мелкими примесями прямозонных полупроводниках n-типа при низких температурах (Т£77К) краевое излучение может формироваться как межзонными переходами, так и переходами через мелкие донорные состояния, либо только переходами мелкий донор – валентная зона. Глубина залегания мелких донорных уровней под дном зоны проводимости ЕD, например в соединениях АШВV, обычно не превосходит 5–7 мэВ. В этом случае энергия максимума краевого излучении может быть ниже значения Еgна величину ЕD. С повышением температуры происходит ионизация мелких донорных уровней, и краевое излучение обусловливается при этом только межзонными переходами. Таким образом, наиболее достоверную информацию о величине Еg в прямозонных нелегированных и умеренно легированных полупроводниках можно получить измерением спектра межзонной люминесценции при 300 К, так как в этом случае исключаются возможные ошибки, связанные с определением энергии связи экситона или глубины залегания мелкого донорного уровня. В вырожденных прямозонных полупроводниках при всех температурах краевое излучение связано с межзонными переходами и значение Еg в них со ответствует точке пересечения касательнойк низкоэнергетическому спаду полосы краевого излучения с нулевым фоном (рисунок 6).  Рисунок 6 – Иллюстрация метода определения ширины запрещенной зоны полупроводника по спектру излучательной рекомбинации светодиода. Основным недостатком люминесцентных методов определения ширины запрещённой зоны является то, что точность их значительно уменьшается при наличии у краев зон «хвостов» плотности состояний, характерных для сильно легированных полупроводников. Кроме того, в спектрах излучения некоторых полупроводников полоса краевого излучения отсутствует, например, из-за интенсивных каналов примесной излучателыюй и безызлучательной рекомбинации. Естественно, что для таких кристаллов неприменимы методы, основанные на анализе формы спектра краевого излучения [3]. 9. Контактная разность потенциалов. Внешняя контактная разность потенциалов Внутренняя контактная разность Работа выхода в металлах В металлах, согласно электронной теории проводимости, свободные электроны находятся в состоянии постоянного хаотичного теплового движения. Однако при нормальных температурах они не покидают металл. У поверхности металла существует задерживающее электрическое поле. Чтобы вылететь из металла электрон должен совершить работу по преодолению задерживающих сил. Эта работа называется работой выхода. Работа выхода Работа выхода - работа, которую должен совершить электрон, чтобы выйти из металла. Формула для работы выхода: A = e U  A=eU, где e e - заряд электрона, U U - разность потенциалов между точками в металле и за пределами задерживающего слоя. Работа выхода измеряется в электронвольтах. Электронвольт - внесистемная единица измерения, равная энергии, которую приобретает электрон при движении между двумя точками с разностью потенциалов в 1 Вольт. Как у поверхности металла образуется задерживающее поле? Вследствие теплового движения электроны с поверхности металла могут отрываться и образуют над поверхностью электронное облако. На местах покинувших металл электронов образуются положительные ионы. По закону Кулона, они стремяться вернуть покинувшие металл электроны обратно. В результате у поверхности металла образуется двойной электрический слой. В вакууме за пределами задерживающего слоя поле отсутствует, поэтому формула для работы выхода запишется в виде: A = e φ A=eφ, где φ φ - потенциал выхода, равный потенциалу поля внутри металла. |