Контакт двух металлов по зонной теории.

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникнет разность потенциалов, наз. контактной разностью потенциалов. В результате в окружающем металлы пространстве появится электрическое поле. Контактная разность потенциалов обусловлена тем, что при соприкосновении металлов часть электронов из одного металла переходит в другой.

Законы Вольта:

1. Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава вещества и температуры соприкасающихся металлов.

2. Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Разность потенциалов, обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, наз. внешней контактной разностью потенциалов (или просто контактной разностью потенциалов). Контактная разность потенциалов на границе двух металлов 1 и 2: или , где работы выходов свободных электронов из металлов; постоянная Больцмана ; концентрации свободных электронов в металлах. Значения внешней контактной разности потенциалов колеблются для различных пар металлов от нескольких десятых вольта до нескольких вольт.

Если уровни Ферми для двух контактирующих металлов не одинаковы, то между внутренними точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов. Напр., уровень Ферми лежит в первом металле выше, чем во втором. При возникновении контакта электроны с самых высоких уровней в первом металле станут переходить на более низкие свободные уровни второго металла. В результате потенциал первого металла возрастет, а второго – уменьшится. В статистической физике доказывается, что условием равновесия между соприкасающимися металлами (а также между полупроводниками или металлом и полупроводником) явл. равенство полных энергий, соответствующих уровням Ферми.

Внутренняя контактная разность потенциалов возникает в двойном электрическом слое, образующемся в приконтактной области, наз. контактным слоем. Толщина контактного слоя в металлах составляет , т.е. соизмерима с межузельными расстояниями в решетке металла. Число электронов, участвующих в диффузии через контактный слой, составляет от общего числа электронов, находящихся на поверхности металла.

Электрический ток проходит через контактный слой в обоих направлениях так же легко, как и через сами металлы.

Контакт металл - полупроводник по зонной теории.

Возможные случаи контакта металла с примесным полупроводником, если работа выхода из полупроводника, работа выхода из металла:

1. , проводник типа: электроны из полупроводника будут переходить в металл, контактный слой проводника обеднится электронами и зарядится положительно, а металл – отрицательно. На контакте образуется двойной запирающий слой, поле которого (контактная разность потенциалов) препятствует дальнейшему переходу электронов. Запирающий слой обладает односторонней (вентильной) проводимостью – т.е. при приложении к контакту внешнего электрического поля н пропускает ток практически только в одном направлении (объясняется зависимостью его сопротивления от направления внешнего поля). Пропускным является направление тока из металла в полупроводник.

2. , проводник типа: электроны из металла будут переходить в полупроводник, контактный слой проводника зарядится отрицательно, а металл – положительно. Контактный слой полупроводника обладает повышенной проводимостью. Пропускным является направление тока из полупроводника в металл.

3. , проводник типа: контактный слой полупроводника обладает повышенной проводимостью.

4. , проводник типа: на контакте образуется двойной запирающий слой.

Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n- переход) по зонной теории.

Область монокристаллического полупроводника, в котором происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот), наз. электронно-дырочным переходом (p-n- переходом). Обычно p-n- переход образуется в кристалле полупроводника, где введением соответствующих примесей создаются области с различной (p- и n-) проводимостью.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, также наз электронно-дырочным переходом (p-n- переходом).

П усть донорный проводник (работа выхода - , уровень Ферми ) приводится в контакт с акцепторным полупроводником (работа выхода - , уровень Ферми ). Электроны из полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия дырок происходит в обратном направлении. На границе в полупроводнике остается нескомпенсированный положительный объемный заряд, в полупроводнике остается нескомпенсированный отрицательный объемный заряд. На границе образуется двойной электрический слой (запирающий), поле которого препятствует дальнейшим переходам. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников.

В нешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего электрического поля. Если полупроводник подключен к отрицательному полюсу источника, а плюс источника соединен с полупроводником, то под действием электрического поля электроны в полупроводнике и дырки в полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников. Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки. При таком прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются. Электрический ток проходит сквозь p-n- переход в направлении от полупроводника к полупроводнику – пропускное (прямое) направление – односторонняя вентильная проводимость.

Если полупроводник подключен положительному полюсу источника, а минус источника соединен с полупроводником, то под действием электрического поля электроны в полупроводнике и дырки в полупроводнике будут двигаться от границы раздела полупроводников в противоположные стороны. Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Направление внешнего электрического поля, расширяющее запирающий слой, наз. запирающим (обратным). При таком направлении внешнего поля электрический ток через контакт двух и полупроводников практически не проходит.

Электронно – дырочный переход обладает односторонней (униполярной) проводимостью, аналогично выпрямляющему действию двухэлектродной лампы – диода. Поэтому полупроводник с одним переходом наз. полупроводниковым (кристаллическим) диодом.

Преимущества полупроводниковых диодов перед ламповыми:

1. экономия энергии для получения носителей тока;

2. высокая к.п.д.;

3. миниатюрность;

4. высокая надежность;

5. постоянная готовность к работе;

6. большой срок службы.

Н едостатки: ограниченный интервал температур, в котором полупроводниковые диоды работают (примерно от -70⁰С до +125⁰С).

Пример: точечный германиевый диод, в котором тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к германию 2 острием, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия Al в Ge и образуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий проводимостью. На границе этого слоя образуется переход, обладающий высоким коэффициентом выпрямления.

Подадим на кристалл прямое внешнее напряжение. Это приведет к возрастанию потенциала области и понижению потенциала области. Высот потенциального барьера уменьшится и сила тока возастет. Понижение потенциального барьера пропорционально приложенному напряжению. В направлении от области к области переход пропускает ток, сила которого быстро возрастает при увеличении приложенного напряжения (прямое направление).

Вольтамперная характеристика перехода. Возникающее в кристалле при прямом напряжении электрическое поле "поджимает" основные носители к границе между областями, вследствие чего ширина переходного слоя, обедненного носителями, сокращается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода, причем тем сильнее, чем больше напряжение. Поэтому вольтамперная характеристика в пропускной области не является прямой (правая ветвь кривой).

Приложим к кристаллу обратное напряжение. Это при

Благодаря малой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн. Обладают прекрасные выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, наз. полупроводниковыми триодами или транзисторами. Делятся на

1. точечные – значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (напр., верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежат в пределах 50-80⁰С);

2. плоскостные – являются более мощными. Могут быть типа и типа в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.

Транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.

Преимущества полупроводниковых транзисторов перед электронными лампами:

1. экономия энергии для получения носителей тока – потребление меньшей мощности;

2. высокая к.п.д.;

3. миниатюрность;

4. отсутствие необходимости в вакууме;

5. постоянная готовность к работе;

6. большой срок службы.