Физические основы работы электронных приборов

Физические основы работы электронных приборов

Багницкий В.Е.

 

Содержание:
1.	Элементы термоэлектроники
	1.1. Термоэлектроника как наука 1.2. Ошибка в уравнении Шокли для ВАХ прямого тока полупроводниковых диодов 1.3. Эмпирическое эмиссионное уравнение как модель ВАХ прямого тока полупроводниковых диодов 1.4. Математическая теория перехода двух процессов как системы с обратными связями 1.5. Опыт Хейнса—Шокли с точки зрения термоэлектрической теории 1.6. Теория теплового заряда 1.7. Теория основных зарядов-энергий 1.8. Закон о соотношении флуктуационного и электрического токов 1.9. Вывод уравнения ВАХ полупроводникового диода
2.	Принципы работы электронных приборов
3.	Математические модели ВАХ электронных приборов
4.	Дополнительный материал

 

Добро пожаловать на сайт «Физические основы работы электронных приборов»

Информация, представленная здесь, является результатом многолетних исследований принципов работы электронных приборов. Сведения из вузовских учебников зачастую не дают подробных ответов на то, как протекают физические процессы внутри полупроводниковых кристаллов и вакуумных ламп. Интерес к знаниям, а также практическая потребность в точных формулах, описывающих характеристики электронных приборов (необходимые для расчёта электронных схем), положили начало данной работе.

Подход к исследованию, выбранный мной, может быть описан так: эксперимент → построение математической модели → теоретическое объяснение процесса. Главный принцип: практика — критерий истинности. Теоретические результаты не претендует на непреложные знания, многие вопросы требуют проверки, часть гипотез нужно согласовать с общепринятыми теориями. Тем не менее, экспериментальные данные перепроверялись несколько раз и хорошо укладываются в общую картину.

Для вашего удобства работа поделена на разделы и подразделы, указанные в меню справа. Часть находится ещё в процессе разработки (это те пункты меню, где отсутствуют ссылки) и будет выложена на ресурс по готовности. Сайт появился гораздо позже самого исследования и находится в Интернете 2873 дня.

В работе предпринята попытка решить следующие задачи:

1. Проведение экспериментальных измерений вольт-амперных характеристик (ВАХ) электронных приборов в зависимости от температуры.

2. Использование экспериментальных данных для построения эмпирических математических моделей.

3. Разработка алгоритмов для решения задач моделирования.

4. Разработка математических моделей для физических процессов.

5. Создание новой физической теории работы электронных приборов на основе электрических и тепловых процессов.

6. Создание математических моделей для решения практических задач моделирования ВАХ электронных приборов.

Надеюсь, вас заинтересуют статьи. Возможно, вы занимаетесь разработкой электронных схем (и вас не устраивает точность расчёта у средств, имеющихся на рынке) или интересуетесь физическими процессами: тепловыми и электрическими (и понимаете больше того, что написано в учебниках), ставите собственные опыты. Если у вас возникнет желание вступить в диалог, вы можете связаться со мной по почте.

Валерий Багницкий
[e-mail]

Элементы термоэлектроники

Термоэлектроника как наука

Определение

Определение из словаря: термоэлектроника — дисциплина, изучающая эмиссию электронов или ионов с поверхности нагретого проводника, и техника, основанная на этом принципе.

Вторая часть определения: к термоэлектронным приборам относятся, в частности, электронные трубки (лампы). При нагреве катода лампы он излучает электроны, которые устремляются к аноду. Такие термоэлектронные лампы в настоящее время почти полностью вытеснены транзисторами, хотя построенные по тому же принципу электронные трубки еще применяются. Сегодня термоэлектроника занимается разработкой и конструированием термоэмиссионных преобразователей энергии, которые превращают тепловую энергию непосредственно в электрическую.

Итак, попробуем логически определить, что же такое термоэлектроника. Современное состояние термодинамики значительно ограничивает применение термоэлектроники. На самом деле термоэлектроника имеет более широкое распространение. К термоэлектрическим приборам относятся:

• термопары,
• элементы Пельтье,
• полупроводниковые диоды,
• электровакуумные диоды,
• транзисторы,
• электровакуумные триоды,
• и прочие электронные приборы.

К термоэлектрическим явлениям относится также такое явление, как гроза. Почему в современной физике все эти приборы и явления относятся к различным разделам? Возможно, из-за отсутствия в термодинамике теории теплового заряда.

В своей работе я попытаюсь доказать (а иногда просто привести альтернативные гипотезы, которые упустили из виду), что термоэлектроника объединяет в себе и теорию термоэлектронной эмиссии, и физику работы полупроводниковых диодов.

Для начала устраним логическое несоответствие в 1-й части определения:

Термоэлектроника — дисциплина, изучающая эмиссию электронов или ионов с поверхности нагретого проводника, и техника, основанная на этом принципе.

Для процесса термоэлектронной эмиссии нам необходимо нагретое тело или что-то более существенное?

Эксперимент 1. Возьмём два тела - эти два тела, согласно определению, будут проводниками. Одно тело нагреем относительно температуры окружающей среды, второе - оставим с температурой окружающей среды. В данном случае первое тело будет иметь более высокую температуру, а значит, будет обладать эмиссией по направлению к окружающей среде и ко второму телу (его температура равна температуре окружающей среды).

Эксперимент 2. Возьмём два тела и оба нагреем относительно температуры окружающей среды. В данном случае первое тело будет иметь более высокую температуру, а значит, будет обладать эмиссией по направлению к окружающей среде, но не ко второму телу (его температура равна температуре первого тела).

Эксперимент 3. Возьмём два тела и понизим температуру второго тела относительно температуры окружающей среды. В данном случае первое тело будет иметь более высокую температуру только по отношению ко второму телу, а значит, будет обладать эмиссией по направлению к первому телу. Окружающая среда тоже будет обладать термоэлектронной эмиссией по направлению ко второму телу, но не к первому телу (его температура равна температуре окружающей среды).

Данные эксперименты показывают, что термоэлектронная эмиссия всегда совпадает с направлением теплопередачи, а значит, явление термоэлектронной эмиссии возникает даже у тел с комнатной температурой, находящихся возле холодных тел! В таком случае источником термоэлектронной эмиссии становится окружающая среда.

Итак, термоэлектронную эмиссию можно связать с явлением теплопередачи. Логически это обосновано: явление термоэлектронной эмиссии определяется (!) разностью температур двух тел — нагретого и охлаждённого.

Следующий вывод: теплопередача в пустом пространстве (вакууме) осуществляется посредством электронов. Дополнительно теплопередача осуществляется с помощью электромагнитных волн, и волновая теплопередача (инфракрасное излучение) может быть даже значительно большей, чем электронная.

Закон Видемана-Франца

Закон Видемана-Франца - это физический закон, утверждающий, что для металлов отношение коэффициента теплопроводности (либо тензора теплопроводности) к удельной электрической проводимости (либо тензору проводимости) пропорционально температуре. Главное в этом законе – это не освещение его с разных сторон – с позиций классической теории или с позиции каких-либо других теорий. Самое главное здесь – это построение модели атома, которая может объяснить теплопередачу в металлах посредством электронов. Без такой модели мы не сможем понять механизм многих явлений термоэлектроники.

Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия, как и теплопередача, имеет связь с проводимостью вещества и бывает открытой и скрытой. Открытая термоэлектронная эмиссия соответствует материалам-проводникам и существует без условий, то есть неуправляема. Скрытая термоэлектронная эмиссия – это эмиссия, которая существует при возникновении некоторых условий, то есть управляема. Пример управляемой (скрытой) эмиссии — возникновение ЭДС при облучении PN-перехода светом, то есть фотоэлектронная эмиссия — это управляемая термоэлектронная эмиссия. Это можно проверить экспериментом, если изменять температуру PN-перехода. Скрытая термоэлектронная эмиссия соответствует материалам-полупроводникам с «широкой запретной зоной». При этом изоляторы обладают более «широкими запрещёнными зонами», чем полупроводники, и в них процессы термоэлектронной эмиссии имеют вид всем известных процессов электризации (электростатика).

Теперь можно рассмотреть контакт двух веществ как результат взаимодействия их электронных эмиссий. Попытаемся найти аналогии между разными явлениями.

Термопары.

Термопары создаются на основе материалов с открытой термоэлектронной эмиссией - на основе проводников или полупроводников с «узкой запретной зоной» (или, что то же самое - с малой «работой выхода»). При этом понятие PN-перехода для термопар аналогично понятию PN-перехода полупроводникового диода. Само явление нагревания контакта можно определить так: на выводах термопары при нагревании её контакта возникает ЭДС, при этом важно, чтобы сам контакт обладал температурой большей, чем его выводы. Зона P — это материал термопары, на выводе которого имеется положительный полюс ЭДС, а зона N —это материал термопары, на выводе которого имеется отрицательный полюс ЭДС. Здесь обозначения P и N несут смысл «позитива» и «негатива» и никак не связаны с понятиями дырочной и электронной проводимости по той простой причине, что дырочной проводимости в природе не существует, как не существует самих «дырок» и ионов внутри твёрдого вещества. Для термопар существует термоэлектрический ряд напряжений - для 3-х веществ понятие P- и N-зон становиться уже неудобным, потому для них необходимо знать расположение веществ в термоэлектрическом ряду напряжений. Следует учесть, что вещества со скрытой термоэлектронной эмиссией термо-ЭДС не создают, пока не возникнут соответствующие физические условия (управление), то есть термо-ЭДС у них управляема.

Радиотехническое условное графическое изображение термопары имеет вид:

Рис. 1.1.1. Радиотехническое обозначение термопары

Для понимания термоэлектрической теории разработаем условные графические изображения PN-переходов. Они будут 2-х типов: 1-й тип соответствует УГО полупроводникового диода, 2-й тип изображает контакт 2-х веществ.

Рис.1.1.2. Термоэлектрические обозначения термопар и PN-переходов (синей стрелкой обозначено направление движения электронов при прямом токе): 1 — 1-й тип графических обозначений, 2а — контакт 2-х веществ с открытой термоэлектронной эмиссией, 2б — контакт 2-х веществ со скрытой термоэлектронной эмиссией. Буквами N и P обозначена полярность термо-ЭДС.

При изучении термоэлектроники будем пользоваться и 1-м, и 2-м типом термоэлектрических обозначений. Для обеспечения полной информативности схем необходимо использовать и обозначения, поясняющие расположение вещества в термоэлектрическом ряду напряжений. Опять же, здесь можно использовать 2 типа пояснений: 1-й тип основан на термоэлектрическом ряду напряжений (U), а 2-й тип может сообщать об атомном номере вещества (Z).

Рис. 1.1.3. Пояснения к обозначениям термопар и PN-переходов.

Итак, термопары имеют открытую термоэлектронную эмиссию и следующие обозначения (см. рис. 1.1.4.):

Рис. 1.1.4. Термоэлектрическое обозначение термопар.

Термопара, основанная на контакте «медь — алюминий», может быть изображена так:

Рис. 1.1.5. Термоэлектрические обозначения термопары Cu-Al: 13 — атомный номер алюминия, 29 — атомный номер меди.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод обычно называют кремниевым, хотя на самом деле его внутренняя конструкция может быть сложной:

Рис. 1.1.6. "Кремниевый" диод.

Как мы видим на рис. 1.1.6, "кремниевый" диод имеет PN-переход вовсе не кремниевый. Он имеет в своём составе много других веществ, главное назначение которых —создать кристаллические решётки различной плотности, при этом сохранив способность к скрытой термоэлектронной эмиссии.  Переход обычного диода состоит из контактирующих поверхностей 2-х разных веществ: первое вещество — сплав кремния с веществом-донором, второе вещество — сплав кремния с веществом-акцептором. По принципам термоэлектроники, дырочной проводимости не существует, тогда какими свойствами обладают эти два вещества? Второе вещество обладает более сжатой кристаллической решёткой, чем первое вещество, при этом оба вещества обладают скрытой термоэлектронной эмиссией - это полная характеристика PN-переходов, обладающих односторонней проводимостью. Характерным для полупроводниковых диодов является также наличие "омического контакта" с проводниками-выводами, которые могут быть термопарами - такая локализация термопар может не давать термо-ЭДС при работе прибора, так как их термо-ЭДС взаимно противоположны.

Диоды Шоттки — это как раз тот вариант PN-перехода, когда регулировкой концентрации напыления металла можно создать омический или не омический контакт (не омическая зона обладает свойством создавать контакт только посредством термоэлектронной эмиссии). Ещё более интересными особенностями обладают так называемые "туннельные" диоды - в обычном PN-переходе зону N дополнительно легируют, причём концентрация напылённого металла регулируется, что создаёт условия омического контакта только на начальном участке вольт-амперной характеристики (ВАХ) прямого тока; для более высокой плотности тока этого омического контакта не хватает, и диод переходит в состояние прямого тока при скрытой термоэлектронной эмиссии.

Транзисторы

Величина скрытой термо-ЭДС PN-переходов транзистора может быть найдена при измерении вольт-амперных характеристик (ВАХ) переходов или из условных обозначений:

Рис. 1.1.7. Термоэлектрические обозначения транзисторов. Напряжения веществ получены с некоторым стандартным веществом, например с платиной (Э — эмиттер, Б — база, К — коллектор)

Здесь следует вспомнить о термоэлектрическом ряде напряжений. Их условных обозначений сразу можно заметить, что PN-переход «база-эмиттер» создаёт термо-ЭДС большую, чем термо-ЭДС PN-перехода «база-коллектор» (скрытая термо-ЭДС PN-перехода определяется как разность потенциалов, обозначенных на рис. 1.1.7). Значит, говорить о NPN- или PNP-структуре некорректно - переходы «база-эмиттер» и «база-коллектор» неодинаковы и различаются уровнем скрытой термоэлектронной эмиссии.

Электровакуумный диод

Катод электровакуумного диода обладает открытой термоэлектронной эмиссией:

Рис. 1.1.8. Обозначение вакуумного диода: 1 – радиотехническое, 2 – термоэлектрическое (направление движения электронов при токе отмечено синей стрелкой).

Ток, протекающий через лампу в одном направлении (электроны движутся от катода к аноду), называют "прямым током", однако с точки зрения термопар этот ток относиться к обратному току! Каковы признаки обратного тока у термопар? При прямом токе на PN-переходе термопары выделяется тепло, а при обратном токе у некоторых видов термопар происходит охлаждение PN-перехода. Поэтому электровакуумный диод работает на принципе охлаждения катода, при этом процесс охлаждения всё время компенсируется источником тепла — нитью накала диода. Получается, что электровакуумный диод — уникальный прибор, который обладает односторонним обратным током с позиций полупроводникового диода! При этом ток от анода к катоду (при обратной полярности анодного источника напряжения) вакуумного диода настолько мал, что его сложно измерить. Какая жк сила обеспечивает одностороннюю проводимость? Просто электроны участвуют в теплопередаче, двигаясь от нагретого катода к холодному аноду, и одновременно в анодном токе, но при этом силы теплопередачи очень велики и обеспечивают ток только в одном направлении.

Итак, теория с носителями электрического заряда в вакууме некорректна: электроны - не только носители электрического заряда, но и носители теплового заряда, поэтому мы можем наблюдать у электровакуумного диода переход процессов от теплового к электрическому и наоборот. Кроме того, иногда электронные лампы некорректно исследуют. Во-первых, покрывая катоды оксидом, мы имеем уже не чистый материал катода, а полупроводник; в некоторых случаях исследовать необходимо чистый металл, при этом каждый металл обладает уникальными свойствами. Поэтому нельзя смешивать все катоды, предлагая для них универсальное уравнение Ричардсона-Дэшмана, которое из-за обобщения неточно и уже не соответствует физическому явлению тока насыщения, в химии следует изучать каждое вещество катода отдельно. Во-вторых, при исследовании необходимо учитывать, из какого вещества сделан анод, какой теплоёмкостью он обладает и какова его температура в ходе эксперимента.

Рис. 1.1.9. Схема двухэлементного генератора термо-ЭДС.

Изобразим схему на рис. 1.1.9 в виде термоэлектрических схем:

Рис. 1.1.10. Термоэлектрическая схема двухэлементного генератора термо-ЭДС 1-го типа.

Рис. 1.1.11. Термоэлектрическая схема двухэлементного генератора термо-ЭДС 2-го типа.

Генератор термо-ЭДС при применении таких веществ, как висмут и сурьма, обладает свойством обратимости, то есть при пропускании через него тока в одной полярности зоны, помеченные как "Т", выделяют тепло, а помеченные "Х" —охлаждаются. Но, опять же, нельзя утверждать для всех термопар, что они обладают свойством охлаждаться при протекании обратного тока. Каждый случай надо изучать отдельно, потому как висмут — это уникальное вещество, и элементы Пельтье создают только на основе висмута и его сплавов от 17-го века до наших дней. Сам Пельтье поставил свой эксперимент на термопаре из висмута и меди. Прошло много лет, но электрические холодильники всё так же делают на основе висмута.

Рис.1 Схема действия эффекта Пельтье

Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника («ветки») p-типа и одного проводника n-типа. При последовательном соединении нескольких таких термопар теплота (Qс), поглощаемая на контакте типа n-p, выделяется на контакте типа p-n (Qh). Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких термопар, обычно соединенных между собой последовательно по току и параллельно по потоку тепла - термопары помещаются между двух керамических пластин (Рис.2), а «ветки» напаиваются на медные проводящие площадки (шинки), которые крепятся к специальной теплопроводящей керамике (например, из оксида алюминия). Количество термопар может варьироваться в широких пределах — от нескольких единиц до нескольких сотен, что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватта до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные присадки - например, селен и сурьму. Традиционно сторона, к которой крепятся провода – горячая, и она изображается снизу.

Рис.2. Так выглядят модули Пельтье

Другой пример: http://wiki.marstefo.ru/element_pelte/

Рис.3. Элемент Пельтье — это обобщенное название приборов, использующих эффект Пельтье-Зеебека.

Само устройство состоит из ряда p- и n-полупроводников, попарно соединенных токопроводящими перемычками таким образом, чтобы получалась последовательное соединение многих пар полупроводников. Причем с одной стороны все соединения должны быть p-n, а с другой n-p. Токопроводящие перемычки одновременно служат термическими контактами и изолируются при помощи полимерных пленок или керамических пластин. Полученное устройство может работать в двух режимах:

1. Термоэлектрический охладитель (Thermoelectric Cooler). На контакты элемента подаётся напряжение, что приводит к возникновению разности температур на противоположных сторонах устройства (эффект Пельтье), т.е. нижняя поверхность начинает нагреваться, а верхняя - напротив, охлаждается (или наоборот, в зависимости от направления протекания тока).

2. Термоэлектрический генератор (Thermoelectric Generator) работает с точностью до наоборот: одна часть элемента искусственно нагревается, а другая охлаждается, при этом на контактах возникает электрический ток (эффект Зеебека).

Попробуем разобраться, как же работает батарея из элементов (термопар) Пельтье. В современных источниках (в т. ч. и в Интернете) приводится трёхэлементный генератор «температурного напора» - схематично он выглядит так:

Рис. 1.1.12. Схема батареи из элементов Пельтье. Буквой «Т» обозначено выделение тепла, буквой «Х» — поглощение тепла (охлаждение). (Для германида кремния применено упрощённое обозначение «Si» из-за недостатка места). Cu — медь, Bi — висмут, Si — германид кремния.

Bi — висмут — обладает самой высокой открытой термоэлектронной эмиссией в сравнении с Si (германидом кремния) и Cu (медью). Cu — медь — обладает открытой термоэлектронной эмиссией, меньшей, чем у Bi (висмута), но большей, чем у Si (германида кремния). Si — германид кремния — обладает самой низкой открытой термоэлектронной эмиссией в сравнении с с Bi (висмутом) и Cu (медью). Получается, что букв N и P уже не хватает, чтобы отобразить 3 вещества в термоэлектрическом ряду напряжений. Современные источники в интернете и в науке пытаются создать теорию на основе мифических «дырок», но ничего не выходит - они игнорируют медь как вещество термопары, поэтому зоны N и P не имеют контакта между собой. А ведь первую термопару с эффектом охлаждения Пельтье изготовил из висмута и меди! Это настоящий «провал» теории электронно-дырочной проводимости

Рассмотрим термоэлектрические схемы батареи из элементов (термопар) Пельтье. На рисунке 1.1.13. изображены следующие варианты диодов-термопар:

Рис. 1.1.13. Варианты термоэлектрических PN-переходов, получаемых при комбинациях 3-х веществ с различной открытой термоэлектрической эмиссией.

Из данных диодов составим термоэлектрическую схему, соответствующую конструкции батареи из элементов Пельтье, представленной на рис. 1.1.12:

Рис. 1.1.14. Термоэлектрическая схема батареи из элементов Пельтье: "Т" — выделение тепла, "Х" — поглощение тепла (охлаждение).

Диоды-термопары пропускают ток в прямом и обратном направлении: при протекании тока через PN-переход в прямом направлении тепло выделяется, в обратном направлении - электроны забирают тепловую энергию у ядра атома, тепло поглощается, и контакт двух веществ охлаждается. Таким образом генерируется «температурный напор». При приложении более высокой температуры к переходам, обозначенным буквами "Т", и более низкой температуры к переходам, обозначенным буквой "Х", получим источник термо-ЭДС, полярность которого указана на рис. 1.1.14.

Заключение.

Подведём итог по данной главе:

1. В работе была расширена область применения термоэлектроники.

2. Сделана попытка использовать теорию теплового заряда.

3. Создана новая модель атома, в которой учитывалась теплопередача посредством электронов.

4. Рассмотрены разные виды термоэлектронной эмиссии как процесса теплопередачи.

5. Рассмотрена работа PN-перехода как контакта двух разных веществ, при этом свойства PN-перехода определялись только полярностью термо-ЭДС. В этом смысле термопары уравнивались с полупроводниковыми диодами.

6. Отмечено, что полупроводниковый диод не может называться "кремниевым" или "германиевым" по причине его многослойной конструкции. Также отмечена роль «доноров» и «акцепторов» в создании феномена односторонней проводимости.

7. При рассмотрении транзисторов отмечена асимметрия скрытой электронной эмиссии его PN-переходов.

8. Отмечена связь процессов в полупроводниковом и электровакуумном диоде. Также отмечены ошибки в вопросах исследования электровакуумных диодов.

9. Рассмотрены 2-хэлементные термопарные генераторы термо-ЭДС с точки зрения термоэлектроники. PN-переходы таких генераторов определялись согласно знаку термо-ЭДС.

10. Рассмотрены промышленные "элементы Пельтье", представляющие собой батарею из 3-хэлементных модулей, которая служит генератором «температурного напора». Была отмечена роль меди как термоэлектрического материала, при этом показаны истинные PN-переходы.