лекция 9. Xiii. Постоянный электрический ток. 92. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока
 Скачать 5.37 Mb.
|
§105. D:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\Fwd_h.gifD:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\Bwd_h.gifЭлектронно-дырочный переход.Полупроводниковый диод. Транзистор.В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nэ >> nд). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (nд >> nэ). При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. (рис.14.10) В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. На границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу
Запирающее напряжение Uз приблизительно равно 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых. р–n-переход обладает свойством односторонней проводимости. Если полупроводник с p–n-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-об-ластью (рис.14.11), а отрицательный – с p-областью, то напряжен-ность поля в запирающем слое возрастает.
Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от p–n -перехода, увеличивая тем самым ширину запирающего слоя. Ток через p–n -переход практически не идет. Напряжение, поданное на p–n -переход в этом случае называют обратным. Незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области. Если p–n - переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью (рис.14.12), то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать p–n -переход, создавая ток в прямомнаправлении. Сила тока через p–n -переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника. Способность p–n -перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис.14.13
Недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды могут работать в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. Транзистор. Полупроводниковые приборы с двумя p–n переходами называются транзисторами. (transfer – переносить и resistor – сопротивление). Транзисторы бывают двух типов: p–n–p-транзисторы (рис.14.14) и n–p–n-транзисторы. (рис.14.15)
В условных обозначениях разных структур стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор. Например, германиевый транзистор p–n–p-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. с дырочной проводимостью (рис.14.16) Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Оба n–p-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора). Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.  Рис.14.16При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток Iэ. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, n–p-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток Iк. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора. Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис.14.16), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см2 может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов. §106. Электрический ток в газах. Ионизация газов.Процесс протекания тока через газ называют газовым разрядом. При комнатной температуре воздух плохой проводник, так как газы состоят из нейтральных атомов или молекул, и следовательно, являются диэлектриками.
Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что по мере нагревания молекулы движутся быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы. Чем выше температура, тем больше образуется ионов. Проводимость газов.В газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов или расплавов электролитов. Рекомбинация. При сближении электрона и положительно заряженного иона они могут вновь образовать нейтральный атом, такой процесс называют рекомбинацией. Несамостоятельный разряд.
При небольшой разности потенциалов, между электродами трубки положительно заряженные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы - к положительному электроду. В результате в трубке возникает электрический ток, т. е. происходит газовый разряд. Не все образующиеся ионы достигают электродов: часть их воссоединяется (рекомбинирует), образуя нейтральные молекулы.
Наступает момент, при котором все заряженные частицы, обра-зующиеся в в газе за секунду, достигают за это время электродов. Дальнейшего роста тока не происходит, ток достигает насыщения. Если действие ионизатора прекращается, то прекращается и разряд, так как других источников ионов нет. Несамостоятельным разрядом называют газовый разряд, происходящий при постоянно действующем внешнем ионизаторе. Самостоятельный разряд.При дальнейшем увеличении разности потенциалов между электродами начиная с некоторого значения напряжения, сила тока снова возрастает (рис.14.20).
Если теперь убрать внешний ионизатор, ток не прекратится. Самостоятельным разрядом называют газовый разряд происходящий в отсутствии внешнего ионизатора. Причинами резкого увеличения силы тока при больших напряже-ниях являютсяионизация электронным ударом и эмиссия электро-нов с катода. Ионизация электронный ударом.Свободный электрон движется к положительному электроду - аноду, а положительный ион — к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтраль-ные атомы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона:  . Если ,т.е. кинетическая энергия электрона превосходит работу Аi ионизации нейтрального атома, то при столкновении электрона с атомом происходит ионизация молекулы газа. (рис.14.21)
Процесс называется ионизацией электронным ударом. Одна ионизация электронным ударом не может обеспечить поддержания самостоятельного разряда, так как все возникающие электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Эмиссия электронов с катода. Для поддержания разряда необходима эмиссия (испускание) электронов с катода. Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами. Положительные ионы, при своем движении к катоду, приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронной эмиссией называется процесс испускания электронов разогретым катодом. При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами, так же в результате прямого или косвенного накаливания катода. Различные типы самостоятельного разряда: Тлеющий разряд. Самостоятельный газовый разряд происходит при выполнении соотношения  . Из формулы следует, что самостоятельный разряд можно получить двумя путями: либо увеличивать напряженность Е поля либо увеличивать длину свободного пробега l. Чтобы увеличить длину свободного пробега заряженных частиц в газе, необходимо уменьшить давление газа (разредить газ). При малых давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) в трубке наблюдается тлеющий разряд при достаточно низких напряжениях между электродами (несколько сотен и меньше вольт). При тлеющем разряде почти вся трубка, за исключением небольшого участка возле катода, заполнена однородным свечением, называемым положительным столбом. Газ на темном катодном пространстве не светится так как электроны еще не приобрели энергии достаточной для ионизации молекул.Электрическая дуга. При соприкосновении двух угольных стержней в месте их контакта выделяется большое количество теплоты из-за большого сопротивления контакта. Температура повышается настолько, что начинается термоэлектронная эмиссия с поверхностей стержней, а так же ионизация слоев воздуха в близи контакта электродов. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними начинается разряд. Между углями возникает столб ярко светящегося газа - электрическая дуга. Проводимость газа в этом случае значительна и при атмосферном давлении, так как число электронов, испускаемых отрицательным электродом, очень велико. Сила тока в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в больших дугах - нескольких сотен ампер при разности потенциалов порядка 50 В. Дуговой разряд - мощный источник света, его используют в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах. В металлургии широко применяют электропечи, в которых источником теплоты служит дуговой разряд. Дуговой разряд используют также для сварки металлов. Другие типы самостоятельного разряда. При атмосферном давлении вблизи заостренных участков проводника, несущего большой электрический заряд, наблюдается разряд, светящаяся область которого напоминает корону. Этот разряд, называемый коронным, вызывается высокой (около 3∙106В/м) напряженностью электрического поля вблизи заряженного острия. С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода. При большом напряжении между электродами в воздухе возникает искровой разряд, имеющий вид пучка ярких зигзагообразных полосок, разветвляющихся от, тонкого канала. Этот вид разряда возникает тогда, когда мощность источника недостаточна для поддержания дугового или тлеющего разряда. Пример гигантского искрового разряда - молния Молнии возникают либо между двумя облаками, либо между облаком и Землей. Сила тока в молнии достигает 500 000 А, а разность потенциалов между облаком и Землей - миллиарда вольт. Плазма. При достаточно больших температурах начинается ионизация газа за счет столкновений быстро движущихся атомов или молекул. Вещество переходит в новое состояние, называемое плазмой. Плазма - это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают. Плазма в целом является электрически нейтральной системой. Степень ионизации может быть различной. В полностью ионизованной плазме нейтральных атомов нет. Наряду с нагреванием ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны разного рода излучениями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами. При этом получается так называемая низкотемпературная плазма. Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества. Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам. В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной. Вследствие высокой температуры Солнце и другие звезды состоят в основном из полностью ионизованной плазмы. |
