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

Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход)

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или p-n-переходом). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. p-n-Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл германия n-типа накладывается индиевая «таблетка» (рис. 335, а). Эта система нагревается примерно при 500°С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n-типа образуется p-n-переход (рис. 335, б).

Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n-переходе (рис. 336). Пусть донорный полупроводник (работа выхода — Аn, уровень Ферми — EFn) приводится в контакт (рис. 336, б) с акцепторным полупроводником (работа выхода — Ар, уровень Ферми — ЕF0 ). Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в p-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении — в направлении р®п.

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В p-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 336, а). Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от n-области к p-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении п®р и дырок в направлении р®п. Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках n- и p-типа одинаковы, то толщины слоев d1 и d2 (рис. 336, в), в которых локализуются неподвижные заряды, равны (d1=d2).

При определенной толщине p-n-перехода наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 336, в). В области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера еj определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полупроводниках. Все энергетические уровни акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного полупроводника на высоту, равную еj, причем подъем происходит на толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя p-n-перехода в полупроводниках составляет примерно 10–6—10–7 м, а контактная разность потенциалов — десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупроводника к p-полупроводнику (рис. 337, a), т. е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике от границы p-n-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через p-n-переход практически не проходит. Ток в запирающем спое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в p-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 337, б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике к границе p-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь p-n-переход в направлении от p-полупроводника к n-полупроводнику; оно называется пропускным (прямым).

Таким образом, p-n-переход (подобно на контакте металл — полупроводник) обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

На рис. 338 представлена вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Как уже указывалось, при пропускном (прямом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к границе p-n-перехода (см. рис. 337, б). В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода (тем сильнее, чем больше напряжение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 338). Это направление тока называется прямым.

При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе p-n-перехода (см. рис. 337, а) и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного основными носителями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Поэтому в данном случае через p-n-переход протекает только небольшой ток (он называется обратным), полностью обусловленный неосновными носителями тока (левая ветвь рис. 338). Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь переменного тока p-n-переходы действуют как выпрямители.

1.113. Для определения ускорения свободного падения был взят маятник, состоящий из проволоки длиной см и металлического шарика диаметром мм. Продолжительность  полных колебаний маятника оказалась равной с. Вычислить ускорение свободного падения.

1.114. В неподвижном лифте висит маятник, период колебаний которого с. С каким ускорением движется лифт, если период колебаний этого маятника стал равным  с? В каком направлении движется лифт?

1.115. Найти период колебаний математического маятника длиной l, подвешенного в вагоне, движущемся с ускорением а.

1.116. Маятник состоит из тяжелого шарики, масса которого m, подвешенного на нити длиной l. Определить энергию, которой обладает маятник, если наибольший угол его отклонения от вертикального положения равен .

1.117. Чему равна энергия математического маятника массой m и длиной l, если амплитуда колебаний равна А.

1.118. При какой скорости поезда маятник длиной см, подвешенный в вагоне, особенно сильно раскачивается, если расстояние между стыками рельсов м?

1.119. Тело массой m упало с высоты h на чашу пружинных весов (рис.22). Масса чаши и пружины пренебрежимо мала, жесткость пружины k. Прилипнув к чаше, тело начинает совершать гармонические колебания в вертикальном направлении. Найти амплитуду колебаний и их энергию.

1.120. Наиболее низкий звук, еще воспринимаемый человеком с нормальным слухом, име- Рис. 22

ет частоту Гц. Какова длина звуковой волны (в воздухе), соответствующая этой частоте?

1.121. Определить длину звуковой волны в воде, вызываемой источником колебаний с частотой Гц, если скорость звука в воде равна м/с.

1.122. Во сколько раз изменится длина звуковой волны при переходе звука из воздуха в воду? Скорость звука в воде м/с, в воздухе м/с.

1.123. Составить уравнение плоской волны, распространяющейся в воздухе, частицы которой колеблются с частотой кГц и амплитудой мкм. Скорость распространения звука в воздухе м/с.

1.124. Составить уравнение плоской волны, распространяющейся в среде, точки которой колеблются с частотой кГц. Длина волны, соответствующая данной частоте, равна см. Максимальные смещения точек среды от положения равновесия в  раз меньше длины волны.

1.125. Скорость звука в воде м/с. На каком расстоянии находятся ближайшие точки, совершающие колебания в противоположных фазах, если частота колебаний Гц?

1.126. Волна распространяется со скоростью м/с при частоте Гц. Чему равна разность фаз двух точек волны, отстоящих друг от друга на расстоянии см?

1.127. Точка, совершающая гармонические колебания, в некоторый момент времени имеет смещение м, скорость м/с и ускорение м/с2. Определить: 1) амплитуду и период колебаний точки; 2) фазу колебаний в рассматриваемый момент времени.

1.128. Плоская бегущая волна представлена уравнением: , где у – смещение частицы; t – время; х – расстояние по оси, вдоль которой распространяется волна. Определить разность фаз между колеблющимися точками, находящимися на расстоянии см друг от друга.

Виды поляризации диэлектриков:

1) деформационная наблюдается у диэлектриков, состоящих из неполярных молекул, заключающаяся в возникновении у молекул (атомов) индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит.

2) ориентационная, или дипольная, наблюдается у диэлектриков, состоящих из полярных молекул, заключающаяся в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул (атомов) по направлению электрического поля.

3) ионная наблюдается у диэлектриков, имеющих ионную кристаллическую решетку, и заключается в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных – против поля.

Вектор поляризации (поляризованность) – физическая величина, численно равная электрическому дипольному моменту единицы объема диэлектрика:

,

где pi – дипольный момент одной молекулы.

Однородная поляризация – такая поляризация, которая возникает у однородных диэлектриков, при этом вектор поляризации одинаков по всему объему.

Неоднородная поляризация – такая поляризация, для которой не выполняются условия однородной поляризации.

Связь вектора поляризации с вектором напряженности внешнего электрического поля – для большинства диэлектриков, кроме так называемых сегнетоэлектриков, вектор поляризации пропорционален напряженности внешнего электрического поля:

P = ce0E,

где c – диэлектрическая восприимчивость вещества, не зависящая от напряженности внешнего электрического поля. Она характеризует способность вещества к поляризации.

Связь между вектором поляризации и поверхностной плотностью связанных зарядов: поверхностная плотность связанных зарядов численно равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности диэлектрика:

s’ = Pn,

где s’ – поверхностная плотность связанных зарядов; Pn – нормальная составляющая вектора поляризации.

Связь между вектором напряженности внешнего электрического поля и поверхностной плотностью связанных зарядов:

s’ = ce0En,

где En – нормальная составляющая вектора напряженности внешнего электрического поля.

Вектор электрической индукции (электрического смещения) – векторная физическая величина, которая связана с вектором поляризации и напряженностью электрического поля соотношением:

D = e0E + P.

Связь между вектором напряженности и вектором индукции электрического поля:

D = (1 + c)e0E = ee0E,

где e = (1 + c) – относительная проницаемость среды, величина которой зависит от структуры и химического состава вещества, а также от давления, температуры и других внешних факторов. Она показывает, во сколько раз электрическое поле ослабевает, если оно создано в какой–либо среде.

Напряженность электрического поля внутри диэлектрика всегда меньше, чем в вакууме в e раз:

,

где E0 – напряженность электрического поля в вакууме; E – напряженность электрического поля в диэлектрике.


Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц