Скорость генерации (число освобождающихся в единицу времени электронно-дырочных пар) зависит от температуры полупроводника и ширины его запрещенной зоны.

В стационарном режиме существует динамическое равновесие: скорость генерации равна скорости рекомбинации, следовательно

или . (8.29).

По формуле (8.29) можно определить число свободных электронов в полупроводнике. Так, например, при комнатной температуре число свободных электронов в германии , в кремнии – .

 

 

8.3.2. Примесные полупроводники

В электронике часто применяют полупроводники, у которых часть атомов основного вещества в узлах кристаллической решетки замещена атомами другого вещества, валентность которого отличается от валентности основного элемента на единицу. Такие полупроводники называют примесными, они существенно отличаются от собственных механизмом образования носителей тока. Для германия и кремния чаще всего используют пятивалентные (фосфор, мышьяк) и трехвалентные примеси (бор, индий, галлий). Примеси, валентность которых превосходит валентность основного элемента, способствуют образованию электронной проводимости (полупроводники n-типа), а примеси, валентность которых меньше валентности основного элемента, обуславливают дырочную проводимость полупроводника (полупроводники р-типа). На рисунках 8.10 и 8.11 показана молекулярная структура примесного полупроводника n - и р-типа и соответствующая им энергетическая структура.

Один из валентных электронов мышьяка As оказывается "ненужным", он не участвует в образовании межмолекулярных связей и поэтому слабо связан с атомом мышьяка; в результате тепловых колебаний легко отрывается и переходит в междоузлие кристаллической решетки, становясь электроном проводимости. Такие примеси называют донорными. Образовавшаяся дырка малоподвижна, так как соседние электроны связи устойчивы. В энергетической структуре примесного полупроводника n-типа вблизи свободной зоны появляется донорный уровень. "Хвост" функции Ферми перекрывает донорный уровень и свободную зону. Зона проводимости обогащается электронами за счет атомов донора (As). Дырочная проводимость из-за высокого энергетического барьера отсутствует. Поэтому основными носителями тока в таком полупроводнике являются электроны.

Если же в качестве примеси использовать трехвалентный индий (акцепторная примесь), то одна из связей не может быть реализована, т.к. для этого не достает одного валентного электрона. Недостающая связь может быть заполнена в результате перехода электрона с одного из соседних атомов германия. При этом дырка перемещается к указанному атому.

В энергетической структуре в данном случае появляется дополнительный (акцепторный) уровень, расположенный рядом с валентной зоной. Уровень Ферми приходится на верхний уровень валентной зоны. При функция Ферми-Дирака в области акцепторного уровня отличается от нуля. На акцепторный уровень переходят электроны из валентной зоны. Эти электроны присоединяются к атомам акцептора, превращая их в отрицательные ионы, которые неподвижны (в виду большого энергетического барьера). В атоме германия (в валентной зоне) образуются дырки - носители тока.

Диод, p-n – переход

 

 

 

Рассмотрим процессы, протекающие на границе раздела двух полупроводников p- и n - типа (рис. 8.12).

Поскольку в полупроводнике p-типа имеется повышенная концентрация дырок, а в полупроводнике n-типа – повышенная концентрация свободных электронов, то первоначально развивается процесс диффузии дырок в n-полупроводник, электронов в p-полупроводник.

В приграничной области образуется так называемый двойной электрический слой из перешедших границу электронов и дырок, который препятствует дальнейшему переходу носителей. Таким образом, направленная диффузия электронов и дырок приводит к появлению скачка потенциала на границе раздела полупроводников.

При подключении источника ЭДС к системе полупроводников возможны два случая: а) увеличение скачка потенциала (непропускное направление); б) уменьшение скачка потенциала (пропускное направление). При подключении источника в непропускном направлении (²плюс² источника подключается к n-полупроводнику) переход основных носителей еще больше затрудняется. Система полупроводников в указанном направлении характеризуется большим сопротивлением, протекающий при этом ток малой величины обусловлен движением не основных носителей (дырок в полупроводнике n-типа и электронов в полупроводнике p-типа).

При подключении источника в пропускном направлении (²плюс² источника подключается к p-полупроводнику) диффузия основных носителей возобновляется. Данное направление в системе полупроводников характеризуется большой электропроводностью.

На рисунке 8.13 представлена вольтамперная характеристика p-n – перехода, т. е. зависимость силы тока от приложенного к системе электрического напряжения в прямом и обратном (пропускном и непропускном) направлении. Прямой ток в десятки и сотни раз превышает обратный. Благодаря указанному эффекту p-n – переход используется для создания полупроводниковых диодов – выпрямителей переменного тока.

Сложение в двоичной системе

Физически в «железе» число 1 представляется 2-мя диодами, 1-ый из которых включён в прямое направление, 2-ой в запрещающее, 3-ка представляется 2-мя диодами. Оба включённые в пропускном направлении 4-ка 3-мя диодами первые 2 в запрещающее, 3-ий в пропускном направлении.

Первое поколение компьютеров работали на вакуумных диодах. Второе поколение – полупроводниковые диоды.

Оказывается неважно какой силы протекает ток через диод.Главное, чтобы индикаторы протекания тока его регистрировали.Поэтому площадь контакта в диоде может быть сколь угодно мала, тогда его возможность из проводников n- типа внедрить пластиночки проводника p-типа.

Такая микротизация размеров возможна до молекулярного уровня. В БИСАХ вкрапление составляет счётное количество молекул. Недостаток полупроводниковых диодов это ограниченное быстродействие. Это время перехода из проводящего состояния в непроводящее.

Транзисторы

В радиотехнике применяются для усиления электрического тока в радиосхеме.

Электролиты – это расплавы или растворы дипольных веществ.

Магнитное поле в вакууме

1. Магнитное поле, как и электростатическое поле, реальная физическая субстанция.

2. Магнитное поле образуется вокруг проводника с током или движущихся направлено зарядов.

3. Магнитное поле определяется как силой тока текущего по проводнику, так и конфигурацией проводника с током.

4. Магнитное поле система токов, векторно складывается (принцип суперпозиции).

5. Картинки магнитного поля, для различных конфигураций проводников с током: (прямой ток, круговой ток, катушка).

6. Силовые линии магнитного поля обязательно замкнуты.

 

Количественные характеристики магнитного поля.

Закон Био – Савара - Лапласа

 

В - индукция, Н - напряжённость.

В вакууме

Элемент тока

:

Индукция магнитного поля, созданная бесконечно малым элементом тока , пропорциональна векторному произведению элемента тока на радиус вектор точки в которой определяется индукция магнитного поля и обратно пропорциональна кубу модуля этого радиус-вектора.

Под векторным произведением двух векторов понимают третий вектор удовлетворяющий трём условиям:

- образуют правую тройку векторов.

 

= Тл

 

 

Материя - составная часть окружающей нас биосферы, представляется в виде вещества (твердое, газообразное, жидкое) и поля (электростатическое, магнитное, переменное, электромагнитное, гравитационное, ядерное (сильное, слабое), биополе, торсионное поле).

Изучая действие магнитного поля, обнаружили:

1) вокруг Земли существует магнитное поле;

2) магнитное поле действует на движущийся заряд или проводник с током. Само магнитное поле создается движущимся зарядом или проводником с током.

Лаплас, анализируя качественные выводы Био-Савара, предположил математическую модель формулы, количественно описывающее магнитное поле.

Характеристиками магнитного поля являются напряженность и индукция.

 

 

 

I

 

dl

 

- закон Био, Савара, Лапласа, Idl –элемент тока

- коэффициент, μ – характеристика среды

З. Био, Савара, Лапласа.

Индукция магнитного поля, созданная элементом тока, пропорциональна элементу тока и обратно пропорциональна квадрату расстояний.

 

 

B – индукция магнитного поля

r = 1 B = 1Тл.

 

1 Тл – индукция такого магнитного поля, которое создается проводником длиной 1м, если по проводнику протекает ток 10 А.

напряженность магнитного поля, характеризует магнитное поле в вакууме,

характеризует напряженность магнитного поля в среде

магнитное поле характеризуется векторными величинами В и Н, а определяется конфигурацией проводника, его создающей и силой тока в этом проводнике, т.к. проводник – распределенный элемент.

 

– для неферромагнитных материалов

 

 

 

 

аналогия между электрическими и магнитными характеристиками полей

Вакуум Е, Н. среда D, B.