Атомная физика Постулаты Бора Элементы квантовой статистики Полупроводники Элементы физики твердого тела Полупроводниковые диоды и триоды Ядерная физика Ядерные реакции Цепная реакция деления

Лекции и задачи по физике Примеры решений контрольной работы

Выпрямление на контакте металл — полупроводник

Рассмотрим некоторые особенности механизма процессов, происходящих при приведении в контакт металла с полупроводником. Для этого возьмем полупроводник л-типа с работой выхода А, меньшей работы выхода Ам из металла. Соответствующие энергетические диаграммы до и после приведения в контакт показаны на рис. 333, а, б.

Если Ам>А, то при контакте электроны из полупроводника будут переходить в металл, в результате чего контактный слой полупроводника обеднится электронами и зарядится положительно, а металл — отрицательно. Этот процесс будет происходить до достижения равновесного состояния, характеризуемого, как и при контакте двух металлов, выравниванием уровней Ферми для металла и полупроводника. На контакте образуется двойной электрический слой d, поле которого (контактная разность потенциалов) препятствует дальнейшему переходу электронов. Вследствие малой концентрации электронов проводимости в полупроводнике (порядка 1015 см–3 вместо 1021 см–3 в металлах) толщина контактного слоя в полупроводнике достигает примерно 10–6 см, т. е. примерно в 10 000 раз больше, чем в металле. Контактный спой полупроводника обеднен основными носителями тока — электронами в зоне проводимости, и его сопротивление значительно больше, чем в остальном объеме полупроводника. Такой контактный слой называется запирающим.

При d=10–6 см и Dj »1 В напряженность электрического поля контактного слоя E=Dj/d » 108 В/м. Такое контактное поле не может сильно повлиять на структуру спектра (например, на ширину запрещенной зоны, на энергию активации примесей и т. д.) и его действие сводится лишь к параллельному искривлению всех энергетических уровней полупроводника в области контакта (рис. 333, б). Так как в случае контакта уровни Ферми выравниваются, а работы выхода—величины постоянные, то при Ам>А энергия электронов в контактном слое полупроводника больше, чем в остальном объеме. Поэтому в контактном слое дно зоны проводимости поднимается вверх, удаляясь от уровня Ферми. Соответственно происходит и искривление верхнего края валентной зоны, а также донорного уровня.

Помимо рассмотренного выше примера возможны еще следующие три случая контакта металла с примесными полупроводниками: a) Ам < А, полупроводник п-типа; б) Ам > А, полупроводник p-типа; в) Ам < А, полупроводник р-типа. Соответствующие зонные схемы показаны на рис. 334.

Если Ам<А, то при контакте металла с полупроводником п-типа электроны из металла переходят в полупроводник и образуют в контактном слое полупроводника отрицательный объемный заряд (рис. 334, а). Следовательно, контактный слой полупроводника обладает повышенной проводимостью, т.е. не является запирающим. Рассуждая аналогично, можно показать, что искривление энергетических уровней по сравнению с контактом металл — полупроводник п-типа (Ам > А) происходит в обратную сторону.

При контакте металла с полупроводником р-типа запирающий слой образуется при Ам < А (рис. 334, в), так как в контактном слое полупроводника наблюдается избыток отрицательных ионов акцепторных примесей и недостаток основных носителей тока—дырок в валентной зоне. Если же Ам > А (рис. 334, б), то в контактном слое полупроводника р-типа наблюдается избыток основных носителей тока — дырок в валентной зоне, контактный слой обладает повышенной проводимостью.

Исходя из приведенных рассуждений, видим, что запирающий контактный сдой возникает при контакте донорного полупроводника с меньшей работой выхода, чем у металла (см. рис. 333, б), и у акцепторного — с большей работой выхода, чем у металла (рис. 333, в).

Запирающий контактный слой обладает односторонней (вентильной) проводимостью, т. е. при приложении к контакту внешнего электрического поля он пропускает ток практически только в одном направлении: либо из металла в полупроводник, либо из полупроводника в металл. Это важнейшее свойство запирающего слоя объясняется зависимостью его сопротивления от направления внешнего поля.

Если направления внешнего и контактного полей противоположны, то основные носители тока втягиваются в контактный слой из объема полупроводника; толщина контактного слоя, обедненного основными носителями тока, и его сопротивление уменьшаются. В этом направлении, называемом пропускным, электрический ток может проходить через контакт металл — полупроводник. Если внешнее поле совпадает по знаку с контактным, то основные носители тока будут перемещаться от границы с металлом; толщина обедненного слоя возрастает, возрастает и его сопротивление. Очевидно, что в этом случае ток через контакт отсутствует, выпрямитель заперт — это запорное направление. Для запирающего слоя на границе металла с полупроводником n-типа (Aм>А) пропускным является направление тока из металла в полупроводник, а для запирающего слоя на границе металла с полупроводником р-типа (Aм<А) — из полупроводника в металл.

1.95. Шарик массой  г, движущийся со скоростью  м/с, упруго ударяется о плоскость. Определить изменение импульса шарика и максимальную энергию упругой деформации, если направление скорости составляет с плоскостью угол , равный 1) 900; 2) 300.

1.96. На тело массой кг, находящееся на наклонной плоскости с углом наклона, действует сила Н параллельно наклонной плоскости Рис. 17

(рис.17). Коэффициент треният между телом и наклонной плоскостью . Определить ускорение тела и силу трения.

1.97. К концам нити, перекинутой через два блока, подвесили два одинаковых груза массой кг каждый (рис.18). Какой груз надо подвесить к нити между блоками, чтобы при равновесии угол был равен 1200? Рис.18

1.98. Груз массой 10 кг подвешен на кронштейне АВС (рис.19). Угол между горизонтальным стержнем АВ и подкосом ВС равен . Определить силы, действующие на стержень и подкос.

1.99. Чему равен вес груза, висящего на кронштейне, если сила, с которой растягивается горизонтальный стержень,Н. Угол между стержнем и подкосом (рис.19). Рис. 19

1.100. Две пружины с коэффициентами упругости k1 и k2 соединяют один раз последовательно, другой раз параллельно. Какой должна быть жесткость пружины, которой можно заменить эту систему из двух пружин?

1.101. Труба массой кг лежит на земле. Какое усилие надо приложить, чтобы приподнять краном трубу за один из ее концов? С какой силой действует другой конец трубы на землю?

1.102. Под каким минимальным углом к горизонту можно прислонить к вертикальной гладкой стене однородную лестницу? Коэффициент трения между лестницей и полом .

1.103. Колесо радиусом R и массой m стоит перед ступенькой высотой h (h<R). Какую наименьшую горизонтальную силу F необходимо приложить к горизонтальной оси колеса, чтобы оно могло подняться на ступеньку? Трением пренебречь.

1.104. Какую минимальную горизонтальную силу нужно приложить к верхнему ребру куба массой M, находящегося на горизонтальной плоскости, чтобы перевернуть его через ребро? При каком коэффициенте трения между кубом и плоскостью можно это сделать?

1.105. Тяжелое бревно втягивают вверх по наклонной плоскости с помощью двух параллельных канатов, закрепленных, как указано на рис. 20. Масса бревна  кг, высота наклонной плоскости м, длина м. Рис.20

Какую силу F нужно приложить к каждому из канатов, чтобы втянуть бревно? Решить задачу двумя способами.

1.106. Из однородной круглой пластины радиусом 9,0 см вырезали круг вдвое меньшего радиуса, касающегося края пластины. Найти центр тяжести полученной Рис. 21

пластины.

1.107. Из плоской квадратной пластины со стороной а вырезан: а) квадрат со стороной а/2; б) круг диаметром а/2. Найти центр тяжести полученных фигур (рис. 21).

1.108. На доске длиной см стоит 

 сплошной цилиндр, у которого высота в три раза больше диаметра основания. На какую наибольшую высоту можно поднять один из концов доски, чтобы цилиндр не упал?

1.109. Телеграфный столб длиной м и массой кг при установке перемещается из горизонтального положения в вертикальное. Какая при этом совершается работа?

1.110. Какую работу необходимо совершить, чтобы перевернуть вокруг ребра куб массой кг? Ребро куба м.

1.111. Составить уравнение гармонического колебания, если амплитуда колебаний см, а время одного полного колебания с.

1.112. Составить уравнение гармонического колебания, если амплитуда колебания см, а частота колебания Гц.

Цилиндрический конденсатор представляет собой устройство из двух цилиндрических обкладок, имеющих общую ось (коаксиальных), разделенных слоем диэлектрика цилиндрической формы.

Емкость цилиндрического конденсатора (коаксиального кабеля):

,

где ℓ – длина цилиндрических обкладок; R1 – радиус внутренней обкладки; R2 – радиус внешней обкладки.

Сферический конденсатор представляет собой устройство, состоящее из двух сферических поверхностей, которые имеют общий центр, различных радиусов, разделенных сферическим слоем диэлектрика.

Емкость сферического конденсатора:

,

где R1 – радиус внутренней сферы; R2 – радиус внешней сферы.

Соединения конденсаторов:

а) последовательное соединение – такое соединение, при котором каждая из обкладок какого–либо конденсатора соединяется только с одной обкладкой другого конденсатора (образуется цепочка конденсаторов).

Емкость системы при последовательном соединении конденсаторов меньше наименьшей из образующих систему емкостей:

.

б) параллельное соединение конденсаторов – такое, при котором обкладки конденсаторов соединяются в группы, причем одна из обкладок каждого конденсатора соединяется в одну группу, а другая – в другую.

Емкость системы при параллельном соединении равна сумме емкостей конденсаторов, образующих систему, при этом она больше наибольшей из включенных:

C = C1 + C2 + C3+:+ Cn=.


Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц