Електричні явища в контактах. Робота виходу електрона із металу. Контактна різниця потенціалів. Напівпровідникові діоди і тріоди. Термоелектричний струм»

Емісії електронів із металу перешкоджає потенційний бар'єр, утворений з електричних сил зображення. Зниження цього бар'єра в міру збільшення прикладеного зовнішнього електричного поля називається ефектом Шоткі. Розглянемо спочатку систему метал-вакуум. Мінімальна енергія, яку необхідно передати електрону на рівні Фермі щоб він покинув метал, називається роботою виходу qφm (φm вимірюється в Електронвольт). Для типових металів величина qφm коливається в районі 2-6 еВ і чутлива до забруднення поверхні.

Електрон, який знаходиться в умовах вакууму на деякій відстані x від поверхні металу, індукує на поверхні позитивний заряд. Сила притягання між електроном та цим індукованим поверхневим зарядом рівна по величині силі притягання до ефективного позитивного заряду + q, який називають зарядом зображення. Ця сила, яка також називається силою зображення, дорівнює:

де ε0-діелектрична проникність вакууму. Робота, яку потрібно здійснити щоб перемістити електрон з нескінченності в точку x, дорівнює:

Ця робота відповідає потенційної енергії електрона на відстані x від поверхні. Залежність W (x), звичайно зображується на діаграмах прямою лінією.

Якщо в системі є зовнішнє електричне поле E, то потенційна енергія електрона WP буде дорівнює сумі:

Зниження бар'єру Шотткі Δφ і відстань xm, при якому величина потенціалу досягає максимуму, визначається за умови . Звідки знаходимо:

см,

В.

 

З цих рівнянь знаходимо значення зниження бар'єру і відстань: Δφ = 0,12 В, xm = 60 При E = 105 1/см і Δφ = 1,2 В, xm = 10 При E = 107 В / см. У результаті, сильне електричне поле викликає значне зниження бар'єру Шотткі. Внаслідок цього ефективна робота виходу з металу для термоелектронної емісії qφB зменшується.

Значення (εs) може відрізнятися від статичної діелектрічной проникності напівпровідника. Це пов'язано з тим, що якщо час прольоту електрона від поверхні розділу метал-напівпровідник в точку xm (xm-точка, де потенційна енергія досягає свого максимального значення) менше часу діелектричної релаксації напівпровідника, то останній не встигає поляризуватися. Тому експериментальні значення діелектричної проникності можуть бути меншими статичної (низькочастотної) проникності. У кремнії ці величини практично співпадають між собою.

Ефективна діелектрична проникність для контакту золото-кремній визначена за результатами фотоелектричних вимірювань. На практиці маємо, що ефективна діелектрична проникність сил зображення знаходиться в діапазоні 11,5 - 12,5. При відстань xm змінюється від 10 до 50А в діапазоні змін електричного поля близько см. Якщо врахувати, що швидкість носіїв близько 107 см / с, їх час прольоту буде с. Виявляється, що діелектрична проникність, отримана при обліку сили зображення, близько до значень проникності (~ 12) для електромагнітного випромінювання відповідних частот (з довжиною хвилі 3-15 мкм). Оскільки діелектрична проникність кремнію практично постійна в діапазоні частот від нуля, що відповідає довжині хвилі λ = 1, у прольоту електрона через збіднений шар решітка встигає поляризуватися. Тому значення діелектричної проникності, отримані в фотоелектричних і оптичних дослідах, близькі один до одного. Германій та арсенід галію мають аналогічні частотні залежності діелектричної проникності. Тому можна припустити, що у разі цих напівпровідників значення діелектричної проникності, що визначає сили зображення, у вказаному вище інтервалі полів приблизно співпадає зі статичними значеннями.

Ефект Шоткі використовується в напівпровідниковій техніці і реалізований в т. н. діодах Шотткі, що мають високі частотні характеристики.

 

Напівпровідниковий діод - напівпровідниковий прилад з одним електричним переходом і двома висновками (електродами). На відміну від інших типів діодів, принцип дії напівпровідникового грунтується на явищі pn-переходу.

Площинні pn-переходи для напівпровідникових діодів отримують методом сплавлення, дифузії та епітаксії.

Типи діодів за призначенням

* Випрямні діоди призначені для перетворення змінного струму в постійний.

* Імпульсні діоди мають малу тривалість перехідних процесів, призначені для застосування в імпульсних режимах роботи.

* Детекторні діоди призначені для детектування сигналу

* Змішувальні діоди призначені для перетворення високочастотних сигналів у в сигнал проміжної частоти.

* Перемикальних діоди призначені для застосування в пристроях управлінням рівнем надвисокочастотної потужності.

* Параметричні

* Обмежувальні

* Помножувальні

* Настроювальні

* Генераторні

ü Задачі.

ü Самостійно розв’язати задачі:

ü Питання самоконтролю:

1. Робота виходу електрона (визначення та формула)

2. Потенціал виходу.

3. Контактна різниця потенціалу.

4. Поняття напівпровідникового або кристалічного діода. Різновиди діодів такого типу(точковий та площинний діоди).

5. Вольт-амперна характеристика діода. Поняття струму насичення, прямого струму.

6. Однобічна провідність діода.

7. Коефіцієнт випрямлення діода.

8. Пробій п-р- переходу.

9. Поняття транзистора. Конструкція. Застосування.

10. Термоелектричний струм. Термоелектрорушійна сила.

11. Коефіцієнт термо-е.р.с.

12. Вимірювання різниці температур термопарою.

13. Приклади застосування явища виникнення термо- е.р.с.

Література:

Посібник №1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За ред. І.М. Кучерука. - [2-е вид., випр.] - К.: Техніка, 2006. - 532 с. - Т.1: Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка

Посібник №2. Кучерук Ї.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За пр. І.М. Кучерука. – [2-е вид., ипр..] — К.: Техніка, 2006. – 452 с. – Т.2: Електрика і магнетизм.

Посібник № 3. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За ред. І.М. Кучерука. - [2-е вид., зипр.] -К.: Техніка, 2006. - 518 с. - Т.З: Оптика. Квантова фізика.

Посібник №4. П.П. Чолпан Основи фізики: навч. Посібник: - К. Вища шк., 1995.- 488 с.: іл.

Посібник №5. І.П. Гаркуша, І.Т. Горбачук, В.П. Курінний та ін.; за заг. ред. І.П. Гаркуші./Загальний курс фізики: Зб. Задач./ К.Техніка,2003.-560с.

Л1.Том2, розділ4, §4.1,4.2,4.5,4.6,с.168-194

Л5. Розділ 7, §7.4,7.5, с. 319-322

Самостійна робота №26