Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)
Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы—диода (см. §105). Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один p-n-переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом. Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные.
В качестве примера рассмотрим точечный германиевый диод (рис. 339), в котором тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к п-германию 2 остриём, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия Аl в Gе и образуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий p-проводимостью. На границе этого слоя образуется p-n-переход, обладающий высоким коэффициентом выпрямления. Благодаря малой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.
Принципиальная схема плоскостного меднозакисного (купоросного) выпрямителя дана на рис. 340. На медную пластину с помощью химической обработки наращивается слой закиси меди Сu2О, который покрывается слоем серебра. Серебряный электрод служит только для включения выпрямителя в цепь. Часть слоя Сu2О, прилегающая к меди и обогащенная ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Сu2О, прилегающая к Ag и обогащенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом, — дырочной проводимостью. Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от Сu2О к Сu (p®n).
Технология изготовления германиевого плоскостного диода описана в § 249 (см. рис. 325). Распространенными являются также селеновые диоды и диоды на основе арсенида галлия и карбида кремния. Рассмотренные диоды обладают рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к.п.д. и срок службы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чувствительны к температуре, поэтому интервал их рабочих температур ограничен (от –70 до +120°С). p-n-Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов (первый транзистор создан в 1949 г. американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли; Нобелевская премия 1956 г.).
Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50—80°С). Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-п-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.
Для примера рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-п-р, т. е. триода на основе n-полупроводника (рис. 341). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов — металлических проводников. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором — постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивление Rвх, а усиленное — снимается с выходного сопротивления Rвых.
Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их «впрыскиванием» — инжекцией — в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), вследствие чего изменяется ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.
Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении — переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств р-п-переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Бк. Обычно Rвых>>Rвх, поэтому Uвых значительно превышает входное напряжение Uвх (усиление может достигать 10 000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в Rвых, может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзистор даст и усиление мощности. Эта усиленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.
Из рассмотренного следует, что транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анодный ток управляется напряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодному току лампы, управляется напряжением на базе.
Принцип работы транзистора n-p-n-типа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существуют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благодаря своим преимуществам перед электронными лампами (малые габаритные размеры, большие к.п.д. и срок службы, отсутствие накаливаемого катода (поэтому потребление меньшей мощности), отсутствие необходимости в вакууме и т. д.) транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.
Молекулярная физика и термодинамика
2.1 Экспериментальные газовые законы
Основные законы и формулы
1. Закон
Бойля-Мариотта. При изотермическом процессе (
) произведение объема V данной массы
газа на давление р есть величина постоянная
.
Для двух состояний газа закон записывается в виде
,
где 
– давление и объем газа в начальном состоянии, 
- те же величины в конечном состоянии.
2. Закон
Гей-Люссака. При изобарическом процессе (
) отношение объема V данной массы газа
к абсолютной температуре Т есть величина постоянная
.
Для двух состояний газа
,
где V1 и Т1 – объем и абсолютная температура газа в начальном состоянии, V2 и Т2 – те же величины в конечном состоянии.
Если температура выражена по шкале Цельсия, то закон Гей-Люссака имеет вид
,
где t – температура по шкале Цельсия, 
– объем газа при температуре 
, 
– объем газа при температуре t, 
– коэффициент объемного расширения газов (для идеальных газов 
).
3. Закон Шарля. При изохорическом
процессе (
)отношение давления р данной массы газа к абсолютной
температуре Т есть величина постоянная
.
В случае двух состояний
,
где р1 и Т1 – давление и температура газа в начальном состоянии, р2 и Т2 – давление и температура газа в конечном состоянии.
Если температура выражена по шкале Цельсия, то закон Шарля имеет вид
,
где 
– давление газа при температуре t=00 С, 
– давление газа при температуре t, – термический коэффициент давления (для идеальных газов).
Теорема Остроградского–Гаусса для потока вектора индукции электрического поля: поток вектора индукции электрического поля через любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, находящихся внутри этой замкнутой поверхности:
.
Граничные условия на поверхности раздела "диэлектрик–диэлектрик":
а) при переходе через границу раздела двух диэлектриков тангенциальная составляющая вектора E (Et) и нормальная составляющая вектора D (Dn) не претерпевают скачка (изменяются непрерывно):
Et1 = Et2; Dn1 = Dn2;
б) при переходе через границу раздела двух диэлектриков нормальная составляющая вектора E (En) и тангенциальная составляющая вектора D (Dt) претерпевают скачок:
; 
.
Внутренняя энергия диэлектриков во внешнем электрическом поле
,
где функция U0(T,r) – внутренняя энергия диэлектрика при отсутствие в нем электрического поля.
Свободная энергия системы, которая связана с электризацией тел:
.
Свободная энергия системы, которая зависит от напряженности электрического поля:
.
Основные уравнения термодинамики диэлектриков:
dU=T×dS + E×dD/4p;
dF= – S×dT + E×dD/4p;
dФ= – S×dT – D×dE/4p;
dI=T×dS – D×dE/4p.
Уравнение состояния:
D=f(E,T,r),
где r – плотность вещества диэлектрика.