Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Гельфгат
§ 4. Електричний струм у вакуумі та напівпровідниках. Термоелектричні явища
1. Електричний струм у вакуумі. Електронні пучки
Перш за все слід уточнити, що будемо називати вакуумом (у різних галузях науки та техніки цьому терміну надають різний зміст). Досить часто вва
жають, що у вакуумі взагалі мають бути відсутні будь-які частинки. Проте такого вакууму в природі просто не існує! Навіть у далекому міжзоряному просторі концентрація частинок відмінна від нуля. Тому підійдемо з іншого боку: будемо відкачувати газ із посудини. Зрозуміло, що тим самим ми наближаємо стан речовини до вакууму. Коли ж буде досягнуто стан вакууму?
Зазвичай молекула газу набагато частіше зазнає зіткнень з іншими молекулами, ніж зі стінками посудини. Коли концентрація молекул зменшується, зіткнення між ними щодалі рідшають. І за якоїсь концентрації зіткнення молекули зі стінками посудини відбуваються частіше, ніж зіткнення з іншими молекулами. От тоді й кажуть, що досягнуто стану вакууму (іноді такий вакуум називають технічним).
Здавалося б, який може бути електричний струм у вакуумі? Адже для цього потрібні вільні заряджені частинки, а звідки вони візьмуться у вакуумі... Проте зважимо на інше: якщо б якісь заряджені частинки рухались у вакуумі, то ніщо б не заважало їх упорядкованому рухові. Тому такий «провідник», як вакуум, мав би перевагу над іншими. Залишається лише одне питання: звідки брати вільні заряджені частинки (носії заряду)?
Виявляється, їх можна «імпортувати» до вакууму! Якщо розмістити у вакуумі металевий провідник і розжарювати його електричним струмом, з поверхні провідника вилітатимуть електрони (це багато в чому схоже на випаровування рідини).
Ми вже згадували про це явище (термоелектронну емісію) у попередньому параграфі. Рухом електронів у вакуумі легко керувати за допомогою електричного (а згодом ви дізнаєтесь, що й магнітного) поля.
Провідник, з поверхні якого вилітають електрони, — катод. Якщо електрони прямують від катода до іншого електрода (анода), то коло замикається.
• Найчастіше електричний струм у вакуумі переносять електрони. У вакуумі можуть існувати також пучки інших заряджених частинок (наприклад, протонів або йонів). Такі пучки, зокрема, створюють у великому адронному колайдері.
Щоб вилетіти з поверхні, електрон має виконати певну роботу проти сил притягання (витратити певну енергію). Цю роботу називають роботою виходу. Чим менша ця робота, тим легше електрону покинути катод і тим більша кількість електронів, що вилітають. Сучасні катоди вкривають шаром спеціально підібраної речовини (наприклад, оксидів деяких металів), що зменшує роботу виходу та збільшує силу струму у вакуумі.
Першим важливим прикладом застосування електричного струму у вакуумі є вакуумний діод — двохелектродна електронна лампа (рис. 4.1). Це був перший пристрій, який проводив струм тільки в один бік.
Рис. 4.1. Вакуумні діоди та схемне позначення вакуумного діода з непрямим розжаренням катода
Однобічна провідність вакуумного діода зумовлена тим, що внаслідок нагрівання з поверхні катода вилітають електрони, анод же лишається холодним. Тому електрони можуть рухатися через діод тільки від катода до анода (отже, електричний струм може протікати тільки у зворотному напрямі, від анода до катода). На рис. 4.2 наведено вольт-амперну характеристику вакуумного діода (від’ємні значення напруги відповідають випадку, коли потенціал катода вищий за потенціал анода, тобто електричне поле «намагається» повернути електрони назад на катод).
Рис. 4.2. Вольт-амперна характеристика вакуумного діода
Не менш важливим застосуванням електричного струму у вакуумі є електронно-променева трубка (ЕПТ). На рис. 4.3 спрощено показано конструкцію ЕПТ.
Рис. 4.3. Електронно-променева трубка: 1 — циліндричні електроди з отворами; 2 — вертикальні пластини; 3 — горизонтальні пластини; 4 — екран із шаром люмінофору
Електронна «гармата» у горловині трубки — катод, який випромінює інтенсивний пучок електронів. Спеціальна система (циліндри з отворами) фокусує цей пучок, робить його вузьким. Змінюючи напругу на циліндрах, можна й змінювати інтенсивність пучка (кількість електронів, які щосекунди досягають екрана). Коли електрони досягають екрана, який з внутрішнього боку вкрито шаром люмінофору, екран починає світитися. Інтенсивність світіння залежить від інтенсивності електронного пучка. Якби пучком не можна було керувати, ми отримали б тільки яскраву світну точку в центрі екрана. Проте пучком можна керувати!
Зверніть увагу!
Сила струму відмінна від нуля, коли U = 0, і навіть за деяких від’ємних значень U. Річ у тім, що електрони вилітають із катода з певними швидкостями. Тому деякі з них можуть долітати до анода (тобто підтримувати електричний струм) за відсутності електричного поля або навіть долаючи «зустрічну» силу з боку цього поля.
На рисунку схематично показано електростатичне керування: коли електрон пролітає між двома зарядженими вертикальними пластинами, їх електричне поле надає йому горизонтального імпульсу, а електричне поле двох горизонтальних пластин — вертикального імпульсу. Отже, залежно від електричних напруг на цих двох системах пластин електрон відхиляється в горизонтальному та вертикальному напрямах і може потрапити в будь-яку точку екрана. За таким принципом діяв, наприклад, електронний осцилограф. Протягом тривалого часу в усіх телевізорах теж застосовували ЕПТ.
Електронам у вакуумі можна надати великої енергії. Електронні пучки можна застосувати навіть для плавлення металів (так одержують дуже чисті метали).
Навколо фізики
Вакуумні діоди дозволяють випрямлювати змінний струм (тобто перетворювати його на постійний). Якщо помістити між катодом і анодом ще один електрод (сітку), то навіть невелика зміна напруги між сіткою та катодом суттєво впливатиме на анодний струм. Така електронна лампа (тріод) та інші багатоелектродні електронні лампи дозволяють підсилювати слабкі електричні сигнали, і тому певний час були основними елементами електронних пристроїв. Так, на електронних вакуумних лампах було побудовано перші ЕОМ. Вони споживали дуже багато електроенергії для розжарення катодів цих ламп та займали багато місця; крім того, були ненадійними, бо дуже часто якась із ламп виходила з ладу.
2. Провідність напівпровідників
Від середини XX століття найбільші успіхи електроніки пов’язані з використанням напівпровідників. Комп’ютери, мобільні телефони, системи навігації, цифрові фотоапарати та відеокамери, сучасні джерела світла, плоскі екрани... Цей перелік можна було б значно подовжити. І всі ці чудеса сучасної техніки (які, правда, для вас складають звичне «середовище») ґрунтуються на застосуванні напівпровідникових приладів.
Напівпровідники можуть складатися з чистих елементів (кремнію, ґерманію, селену, телуру тощо) або численних хімічних сполук. Напівпровідники зустрічаються на Землі нерідко — досить сказати, що кремній становить близько 30 % земної кори.
За значенням питомого електричного опору напівпровідники перебувають «посередині» між провідниками та діелектриками. Проте це не головне. Важливою відмінністю напівпровідників від інших речовин є залежність питомого опору від температури.
Питомий опір напівпровідників (на відміну від металів) дуже швидко зменшується внаслідок нагрівання (рис. 4.4). За низьких температур напівпровідники поводяться практично як діелектрики (зазначимо, що поки ми обговорюємо властивості чистих напівпровідників).
Рис. 4.4. Схематичний графік залежності питомого опору напівпровідника від температури
Це свідчить, що в напівпровідниках концентрація вільних заряджених частинок не лишається сталою (як у металах), а збільшується з підвищенням температури. Розглянемо на якісному рівні механізм цього явища, обравши для прикладу ґерманій (Ge). Для інших напівпровідників механізм є аналогічним.
Атоми ґерманію мають по чотири слабкозв’язані (валентні) електрони в зовнішній оболонці. У кристалічній ґратці кожний атом має саме чотири найближчих сусіди (тому наведені нижче рисунки досить точно відтворюють цю ситуацію, хоч вони й двомірні). Зв’язок між атомами в кристалі є ковалентним (тобто його забезпечують пари валентних електронів, кожний із яких «належить» двом атомам). Зв’язок валентних електронів з атомами ґерманію є досить міцним, щоб не руйнуватися за низьких температур; отже, за таких температур практично всі валентні електрони «зайняті» в ковалентних зв’язках і вільних електронів практично немає (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Ковалентні зв’язки між атомами ґерманію
Але вже приблизно за кімнатних температур, коли хаотичний рух атомів посилюється, певна частина зв’язків не витримує і, отже, деякі електрони стають вільними (рис. 4.6). Кількість таких електронів дуже мала, порівняно з кількістю вільних електронів у металах, тому питомий опір напівпровідників набагато перевищує питомий опір металів. Проте у діелектриків зв’язки електронів з атомами міцніші, і навіть за кімнатних температур вільні електрони не з’являються, питомий опір лишається величезним.
Рис. 4.6. Утворення вільного електрона та дірки
Разом із вільними електронами утворюються так звані дірки. Під цією назвою «ховається» нестача електрона на якомусь зв’язку між атомами. Електрон з якогось із сусідніх зв’язків може зайняти це місце, тоді дірка переміститься.
У певному сенсі дірку розглядають як частинку; зазначимо, що тоді дірку можна розглядати як позитивно заряджену частинку (наприклад, під дією електричного поля дірка та електрон рухатимуться в протилежних напрямах).
Залежність опору напівпровідника від температури використовують у терморезисторах (термісторах), опір яких швидко зменшується під час нагрівання. Залежність опору напівпровідника від освітленості використовують у фоторезисторах, їх опір зменшується внаслідок освітлення. Термо- та фоторезистори застосовують для вимірювання температури та освітленості, у системах сигналізації та автоматики.
У чистому напівпровіднику вільні електрони та дірки утворюються завжди парами, тому їх кількості однакові. За відсутності електричного поля дірки та електрони рухаються хаотично, електричний струм відсутній. За певної температури щосекунди виникає певна кількість електронно-діркових пар. Зрозуміло, це не означає, що кількість вільних електронів і дірок безупинно збільшується. Відбувається й зворотний процес (рекомбінація) — унаслідок зустрічі вільного електрона з діркою вони зникають, тобто вільний електрон «заповнює» дірку і перестає бути вільним. За незмінних умов дуже швидко встановлюється динамічна рівновага: щосекунди виникає саме стільки електронно-діркових пар, скільки зникає внаслідок рекомбінації. Отже, за незмінних умов концентрація вільних електронів і дірок є сталою. Ця концентрація збільшується внаслідок підвищення температури. Ще однією причиною виникнення електронно-діркових пар може бути опромінення напівпровідника видимим світлом або іншим електромагнітним випромінюванням.
Отже, провідність напівпровідників має електронно-діркову природу.
Описаний вище тип провідності називають власною провідністю напівпровідників.
Під дією електричного поля рух вільних електронів і дірок стає напрямленим. Напрями їх руху протилежні, але спричинені цими рухами струми Іелектр і Ідір напрямлені однаково (це нагадує рух позитивних і негативних йонів в електроліті). «Внески» електронів і дірок до загальної сили струму можуть суттєво відрізнятися, хоча їх кількості однакові, через різні швидкості напрямленого руху.
Електричні властивості напівпровідників дуже чутливі до наявності навіть малої кількості домішок. Розберемося з причинами такої чутливості знов-таки на прикладі ґерманію. Розглянемо кристалічні ґратки ґерманію, у яких є домішка заміщення — атом арсену (As). Це означає, що атом As зайняв у кристалі місце замість атома Ge. Атом домішки має не чотири валентні електрони, як атом Ge, а п’ять. Чотири з них «працюють», забезпечуючи ковалентні зв’язки із сусідніми атомами, а от п’ятий є «зайвим». Він слабко зв’язаний з «рідним» атомом As і, найімовірніше, відірветься від нього та почне подорожувати кристалом — стане вільним (рис. 4.7). Зазначимо, що цей вільний електрон утворюється без «пари» — без дірки (атом As перетворюється на позитивний йон, але ж цей йон не є вільним — він міцно зв’язаний з кристалічними ґратками). Оскільки концентрація вільних електронів і дірок у чистому напівпровіднику дуже мала, наявність навіть 0,001 % атомів домішки може принципово змінити ситуацію: тепер кількість вільних електронів перевищуватиме кількість дірок щонайменше в тисячі разів.
Рис. 4.7. Донорна домішка в напівпровіднику
Провідність напівпровідників, зумовлену наявністю домішок, називають домішковою.
Ми розглянули так звану донорну домішку, валентність якої більша за валентність чистої речовини. Донорна домішка спричиняє електронну провідність, або провідність n-типу (n — negative — негативний, що нагадує про знак заряду основних носіїв — електронів). Зазначимо, що кількість неосновних носіїв (дірок) набагато менша, ніж кількість основних носіїв (дірки виникають так само, як у чистому ґерманії; їх кількість навіть зменшується через підвищений «ризик» зустрічі з вільним електроном і рекомбінації).
Якщо ж домішка заміщення матиме валентність 3 — це може бути, наприклад, індій (In), — то валентні електрони атома домішки можуть забезпечити зв’язок лише з трьома із чотирьох сусідів. Ще один потрібний електрон атом In може захопити з якогось із сусідніх ковалентних зв’язків між атомами ґерманію. Атом In у цьому випадку перетвориться на негативний йон, але важливіше те, що поруч із ним утворюється дірка (рис. 4.8). Тепер кількість дірок набагато перевищує кількість вільних електронів, тобто дірки є основними носіями заряду, а вільні електрони — неосновними.
Рис. 4.8. Акцепторна домішка в напівпровіднику
Таку домішку, валентність якої менша від валентності чистої речовини, називають акцепторною. Акцепторна домішка спричиняє діркову провідність, або провідність p-типу (р —positive — позитивний, що нагадує про знак заряду основних носіїв — дірок).
Зазначимо, що зрештою діркова провідність теж пояснюється переміщенням електронів, але не вільних, а тих, що забезпечують ковалентні зв’язки.
3. Електронно-дірковий перехід. Напівпровідникові пристрої
Електронно-дірковий перехід (скорочено n—p-перехід або р—n-перехід) є головним елементом більшості напівпровідникових приладів. Він утворюється в напівпровідниковому кристалі на межі двох зон: з електронною та дірковою провідністю. Щоб отримати такий перехід, можна, наприклад, вплавити до кристала ґерманію з електронною провідністю (за рахунок природних домішок) трохи індію та нагріванням викликати прискорену дифузію індію в ґерманії. Таким чином, отримаємо зону з дірковою провідністю і відповідно електронно-дірковий перехід.
За відсутності електричного поля вільні електрони й дірки хаотично рухаються в кристалі. Унаслідок такого руху відбувається дифузія електронів у p-зону і дірок — у n-зону. Оскільки ці частинки є зарядженими, їх дифузія спричиняє розділення зарядів у кристалі: утворюється так званий подвійний електричний шар (запірний шар) саме на електронно-дірковому переході (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Утворення подвійного електричного шару на електронно-дірковому переході та позначення напівпровідникового діода
Цей шар утворює електричне поле, яке протидіє подальшій дифузії носіїв заряду. На р—n-переході виникає різниця потенціалів (зазвичай кілька десятих вольта). Усередині запірного шару концентрація вільних заряджених частинок різко зменшується внаслідок рекомбінації між вільними електронами та дірками.
• Електронно-дірковий перехід має практично однобічну провідність: він пропускає помітний струм від р- до n-зони і лише дуже малий струм у зворотному напрямі.
Якщо підключити р—n-перехід у прямому напрямі, тобто приєднати позитивний полюс джерела струму до p-зони, а негативний — до «-зони, то заряд через р—n-перехід переноситимуть основні носії заряду (дірки з p-зони та електрони з n-зони). При цьому запірний шар звужується.
Якщо ж підключити р—n-перехід у зворотному напрямі, тобто приєднати позитивний полюс джерела струму до n-зони, а негативний — до p-зони, то заряд через р—n-перехід переноситимуть неосновні носії заряду (електрони з p-зони та дірки з n-зони). При цьому запірний шар стає більш широким.
Напівпровідниковий діод використовує саме однобічну провідність р—n-переходу. Вольт-амперну характеристику такого діода схематично показано на рис. 4.10 (від’ємні значення напруги та сили струму відповідають зворотному напряму струму).
Рис. 4.10. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового Діода
Зверніть увагу!
Часто кажуть, що діод має малий електричний опір у прямому напрямі та дуже великий опір — у зворотному. Проте слід розуміти, що це не зовсім точне твердження: строго кажучи, для напівпровідників узагалі та особливо для електронно-діркових переходів не виконується закон Ома. Тому якогось сталого опору в таких провідників немає.
Напівпровідникові діоди найчастіше використовують для випрямляння змінного струму. На їх базі створено й багато пристроїв іншого призначення.
Проте найбільш важливі наслідки мало винайдення транзистора.
Транзистор — електронний пристрій з напівпровідникового матеріалу, зазвичай з трьома виводами, який дозволяє керувати за допомогою слабкого вхідного сигналу струмом в електричному колі. Транзистори застосовують для підсилення, генерування та перетворення електричних сигналів.
На рисунку показано три основні зони транзистора: Е — емітер, Б — база, К — колектор. Зазначимо, що товщина бази має бути дуже малою. Тільки за цієї умови транзистор може, наприклад, ефективно підсилювати слабкі електричні сигнали.
Познайомимося спочатку з будовою біполярного транзистора (саме його було винайдено першим). Він містить два електронно-діркових переходи. Відповідно існують два типи таких транзисторів: р—n—р і n—р—n (рис. 4.11).
Рис. 4.11. Будова та позначення біполярних транзисторів типу р—n—р (а) і n—р—n (б). Блакитним зафарбовано зони з провідністю n-типу, рожевим — p-типу
Якщо потенціал бази р—n—р-транзистора вищий за потенціал емітера, то струм не протікає через транзистор (лівий р—n-перехід закритий). Отже, транзистор може працювати як електронний ключ. Якщо ж потенціал бази нижчий від потенціалу емітера, то навіть невеликі зміни сили струму в колі емітера спричиняють такі самі зміни струму в колі колектора та значні зміни напруги на резисторі з великим опором (рис. 4.12). Таким чином, вхідний електричний сигнал підсилюється за напругою і, відповідно, за потужністю. Це лише одна з можливих схем застосування транзистора для підсилення сигналів.
Рис. 4.12. Підсилення електричного сигналу за допомогою транзистора (схема зі спільною базою)
У сучасній електроніці замість біполярних зазвичай застосовують так звані польові транзистори. У них керування електричним опором каналу проходження струму здійснюється за допомогою поперечного електричного поля. Розглянемо як приклад польовий транзистор з керуючим р—n-переходом і каналом n-типу (такий транзистор містить не два р—n-переходи, а лише один). Це пластина з провідністю p-типу, що має на протилежних кінцях електроди (витік і стік), за допомогою яких вона включена в кероване коло. Між цими електродами, через які відповідно входять і виходять носії заряду, створено канал з провідністю n-типу (рис. 4.13). Керуюче коло підключається до третього електрода (затвора). У це коло входять джерело постійної напруги, що подає зворотну напругу на р—n-перехід, і джерело вхідного сигналу. Залежно від вхідної напруги змінюється товщина запірного шару, збідненого носіями заряду. Відповідно змінюються й ефективна площа поперечного перерізу каналу, і його опір.
Рис. 4.13. Спрощене схематичне зображення одного з типів польових транзисторів. Блакитним зафарбовано n-канал, рожевим — пластинку кремнію з провідністю p-типу, жовтим — шар діелектрика (SiO2), сірим — алюмінієві електроди. Стрілка показує напрям руху носіїв заряду
Цей опір можна зменшити до кількох сотих або навіть тисячних часток ома, тому навіть за великої сили струму в польовому транзисторі виділяється невелика теплова потужність. Це дозволяє зменшити розміри пристроїв і обійтися без громіздких радіаторів для охолодження. Польові транзистори мають і інші переваги перед біполярними. Завдяки їх застосуванню наручні електронні годинники та пульти дистанційного керування побутовими приладами працюють до кількох років від одного мініатюрного джерела живлення — адже витрати енергії мізерно малі.
4. Термоелектричні явища
Ви знаєте, що між електричними та тепловими явищами існують певні зв’язки — наприклад, електричний струм у провіднику відповідно до закону Джоуля — Ленца спричиняє виділення певної кількості теплоти. Проте існують також інші термоелектричні явища, відомі ще з XIX століття. Ми коротко опишемо два з них.
Ефект Зеєбека. Складемо електричне коло з двох провідників із різних матеріалів. Таке коло містить два контакти цих матеріалів (рис. 4.14). Якщо температури цих контактів відрізняються, то в колі виникає ЕРС (так звана термоЕРС) і виникає термоелектричний струм. Якщо розірвати коло в певному перерізі, то в місці розриву виникає різниця потенціалів, що дорівнює термоЕРС. Таке коло — приклад термопари.
Рис. 4.14. Ефект Зеєбека: термоелектричний струм виникає, якщо температури контактів А і В між провідниками 1 і 2 відрізняються. Гальванометр Г фіксує виникнення струму. Напрям струму залежить від того, який контакт має вищу температуру
Навколо фізики
Сучасні технології дозволили зменшити розміри транзисторів до десятків нанометрів і виготовляти не окремі транзистори, а так звані чипи, які на площі 1-2 см2 містять мільярди транзисторів, з’єднаних у певну систему (наприклад, процесор комп’ютера). Мініатюризація та підвищення ступеня інтеграції напівпровідникових елементів тривають.
Якщо йдеться про відносно невеликий температурний інтервал, то значення термоЕРС пропорційне різниці температур контактів ΔΤ = ΤΑ - ΤΒ та залежить від природи обох провідників. У загальному ж випадку термоЕРС може навіть змінювати знак під час переходу до іншого температурного інтервалу. Зазвичай для металів термоЕРС становить кілька десятків мікровольт на кожен градус різниці температур. Для напівпровідників, у яких концентрація носіїв заряду набагато менша, термоЕРС більша в сотні разів.
Ефект Зеєбека застосовують для вимірювання температур і для безпосереднього перетворення внутрішньої енергії в електричну (тобто для створення джерел струму).
Ефект Пельтьє (зворотний до ефекту Зеєбека) полягає в поглинанні або виділенні тепла під час протікання електричного струму через контакт (спай) двох різних провідників. Знак ефекту залежить від напряму струму. Свого часу Е. X. Ленц продемонстрував, що за великої сили струму можна або заморозити, або довести до кипіння краплю води, що перебуває на спаї. Виділення або поглинання тепла під час цього явища не впливає на «звичайне» джоулеве тепло, обидва ефекти просто «додаються» один до одного.
Фізика і техніка в Україні
З історії вивчення напівпровідників
В. Є. Лашкарьов (1903-1974) — видатний український науковець, першовідкривач фізичних ефектів, які були покладені в основу напівпровідникових технологій і мікроелектроніки
1956 року в Стокгольмі три американських учені Д. Бардін, В. Шоклі та У. Браттейн отримали Нобелівську премію з фізики «за дослідження напівпровідників і відкриття транзисторного ефекту». Їх роботи відкрили величезні перспективи подальшого розвитку фізики та техніки, імена цих учених увійшли до історії науки.
Але ще за 15 років до зазначеної події молодий тоді український фізик В. Є. Лашкарьов експериментально виявив і описав у статті фізичне явище, яке пізніше отримало назву «електронно-дірковий перехід». Він описав і механізм інжекції — явища, на якому ґрунтується дія напівпровідникових діодів і транзисторів.
Події Другої світової війни, а потім — «холодна війна» та ізоляція СРСР від західного світу відіграли головну роль у тому, що роботи українського фізика не здобули належного світового визнання. Але він продовжував і розширював свої дослідження. Під керівництвом В. Є. Лашкарьова в роки війни були створені перші в СРСР напівпровідникові (купроксні) діоди, а пізніше — і «напівпровідникові тріоди», тобто транзистори. Купроксні діоди застосовували в армійських радіостанціях.
В. Є. Лашкарьов сформував видатну наукову школу в галузі фізики напівпровідників. У 1960 році він очолив новостворений Інститут напівпровідників АН УРСР (нині цей інститут носить його ім’я).
Кількість теплоти в ефекті Пельтье пропорційна силі струму та тривалості явища, вона також залежить від природи обох провідників. Цей ефект, як і попередній, значно помітніший для напівпровідників, ніж для металів.
Ефект Пельтье «працює» в термоелектричних холодильниках. Їх переваги перед звичними компресійними холодильниками — відсутність рухомих деталей, надійність, безшумність, компактність.
Усі термоелектричні явища зумовлені порушенням теплової рівноваги в потоці носіїв заряду. Їх повне мікроскопічне пояснення можливе тільки на основі квантової теорії.
Підбиваємо підсумки
Якщо газ настільки розріджений, що зіткнення молекули зі стінками посудини відбуваються частіше, ніж зіткнення з іншими молекулами, такий стан речовини називають вакуумом. У вакуумі носіями заряду є електрони. Зазвичай вони вилітають з поверхні розжареного катода (це явище називають термоелектронною емісією).
Вакуумний діод (двохелектродна електронна лампа) проводить струм тільки в один бік. Електронно-променева трубка (ЕПТ) дозволяє керувати рухом електронів. Свого часу саме ЕПТ зробили можливим створення телебачення.
Провідність напівпровідників має електронно-діркову природу. Дірку можна розглядати як позитивно заряджену частинку. Питомий опір напівпровідників зменшується внаслідок нагрівання або освітлення через збільшення концентрації електронів і дірок. Ці ефекти використовують у термо- і фоторезисторах.
У чистому напівпровіднику (з власною провідністю) вільні електрони та дірки утворюються завжди парами, тому їх кількості однакові.
Домішкова провідність напівпровідника зумовлена наявністю донорної або акцепторної домішки, які спричиняють відповідно електронну (n-типу) та діркову (p-типу) провідності. Електронно-дірковий перехід має практично однобічну провідність: він пропускає помітний струм тільки від р- до n-зони. На властивостях р—n-переходів ґрунтується дія напівпровідникових діодів і транзисторів.
Ефект Зеєбека спостерігається в колах, які містять провідники різної природи: за існування різниці температур між двома контактами цих провідників у колі виникає термоЕРС. Зворотним є ефект Пельтьє: якщо в такому колі існує електричний струм, то на одному з контактів тепло виділяється, а на іншому — поглинається.
Еонтрольні запитання
1. Завдяки якому явищу можна створити електричний струм у вакуумі? 2. Чому вакуумний діод проводить струм тільки в один бік? 3. Що таке дірки? Чому їх розглядають як позитивно заряджені частинки? 4. Як виникає електронна провідність напівпровідника? діркова провідність? 5. Чим зумовлена практично однобічна провідність електронно-діркового переходу? 6. У чому полягають ефекти Зеєбека та Пельтьє?
Вправа № 4
Елементарний електричний заряд дорівнює 1,6 • 10-19 Кл, маса електрона 9,1 • 10-31 кг.
1. Якими мають бути знаки зарядів керуючих пластин (див. рис. 4.3), щоб електронний пучок створив світну точку в правому верхньому куті екрана? у лівому верхньому куті?
2. Скориставшись періодичною системою елементів, визначте елементи, які можна використовувати як акцепторні домішки в кремнії.
3. За якої напруги між анодом і катодом вакуумного діода електрони підлітають до анода зі швидкістю 10 000 км/с? Уважайте, що електрони вилітають з поверхні катода з малою швидкістю.
4. За якої анодної напруги час руху електрона від катода до анода вакуумного діода дорівнює 10 нс? Відстань між катодом і анодом дорівнює 1,5 см; електричне поле вважайте однорідним.
5. Як зміниться опір пластини кремнію з домішкою атомів фосфору, якщо ввести в неї домішку атомів ґалію? Концентрації атомів фосфору і ґалію однакові.
6. Визначте силу струму в ділянці кола (рис. 1), якщо напруга між точками А і В дорівнює 18 В, а опори резисторів R1 = 20 Ом, R2 = 50 Ом, R3 = 40 Ом. Якою стане сила струму, якщо змінити полярність напруги? Діоди вважайте ідеальними.
Рис. 1
7. Визначте силу струму в колі (рис. 2), якщо напруга між точками А і В дорівнює 18 В, а опір кожного з резисторів 60 Ом. Якою стане сила струму, якщо змінити полярність напруги? Діод уважайте ідеальним.
Рис. 2
8. Пучок електронів, розігнаних напругою 5 кВ, влітає в плоский конденсатор посередині між пластинами паралельно ним. Довжина конденсатора 10 см, відстань між пластинами 10 мм. За якої найменшої напруги на конденсаторі електрони не вилітатимуть з нього?
