4.3.3. Объяснение работы кристаллического детектора теорией термо-электронной эмиссии.

Рассмотрим с позиций термодинамики: что же искал оператор заточенной проволочкой на поверхности полупроводникового кристалла?

Сегодня об этом могут поведать тайну диоды Шоттки, которые созданы по аналогичному принципу. Оператор искал неконтакт!

Когда проволочка упиралась в неконтакт, то на малом расстоянии с кристаллом, ток мог протекать между проволочкой и полупроводником только по термоэлектронной эмиссии.

Рассмотрим этот механизм.

У полупроводникового кристалла – зоны P - эмиссия была более сильной. И если б она была включенной, то электроны с зоны P, в результате взаимодействия эмиссий, потеснили бы электроны с зоны N и перешли на территорию тела N-типа. Зона N зарядилась бы отрицательно, зона P зарядилась бы положительно. Но у полупроводников термоэлектронная эмиссия «выключена», из-за того, что они близки по свойствам к изоляторам. ( термоэлектронная эмиссия зоны P может быть легко включена, например, при облучении светом … или при протекании прямого тока…).

При омическом неконтакте, мы получили контакт посредством термоэлектронной эмиссии. А через такой контакт ток можно пропустить только в одну сторону: электроны могут двигаться в сторону зоны P. Такой ток - ток электронов в сторону зоны P, или ток против направления эмиссии зоны P, мы сегодня называем прямым током полупроводникового диода.

Прямой ток имеет свойство включать термоэлектронную эмиссию зоны P. Потому прямой ток протекает в условиях эмиссии зоны P, что создаёт нелинейность вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.

Теперь рассмотрим диоды Шоттки.

Теория барьера Шоттки очень похожа на термоэмиссионную теорию.

Шоттки отбил у «дырочной» теории часть истины. На самом деле все диоды работают по принципу диода Шоттки. В основе их работы лежит скрытая термоэлектронная эмиссия и полупроводниковый эффект Пельтье.

В начале прошлого века немецкий физик Вальтер Герман Шоттки создал диод на основе полупроводникового кристалла и напылённой на него тонкой плёнки металла. Тонкая плёнка создаёт «неконтакт», то есть не обеспечивает запуск механизма для существования закона

Ома и правил Киргофа для электрической цепи. Измерение вольт-амперных характеристик прямого тока в зависимости от температуры нескольких диодов Шоттки на основе кремния показало, что их вольт-амперные характеристики не сильно отличаются от вольт-амперных характеристик других кремниевых диодов, и соответствуют эмиссионному уравнению.

Когда-то, в далёких 30-х годах 20-го века, когда все альтернативные теории для объяснения односторонней проводимости полупроводникового диода ещё были живы, физики как никогда были близки к истине. Но победила теория «дырочной» проводимости, создав ложный фундамент для физики полупроводников.

4.4. Опыт Хейнса — Шокли с точки зрения термоэлектрической теории.

4.4.1. Описание опыта Хейнса — Шокли.

В современной физике существует раздел термоэлектрических явлений и раздел изучающий полупроводниковый диод. Обе теории идут каждая своей дорогой и успели накопить противоречия.

В то же время, теория полупроводникового диода, разработанная В. Шокли в 1949 году является неверной, так, как в ней В. Шокли полностью игнорировал термоэлектрические явления.

Нуждается ли полупроводниковый диод в термоэлектрической теории?

В 1948 году Шокли совместно с Хейнсом опытным путём доказали существование «неосновных» носителей заряда – так называемых «дырок».

Сегодня этот эксперимент выглядит как классический. Но корректно ли он был поставлен? И ещё более важный вопрос: корректно ли он был объяснён?

Объясняя эксперимент Хейнса, Шокли не упомянул ни одного термоэлектрического явления, присутствующего в этом эксперименте. А были ли термоэлектрические явления в опыте Хейнса-Шокли?

Описание опыта:

Опыт Хейнса — Шокли — классический физический эксперимент, впервые доказавший существование тока неосновных носителей (дырочной проводимости в полупроводнике n-типа) в полупроводниках и позволивший измерить основные свойства дырок — скорость дрейфа и скорость диффузии.

Опыт был поставлен Ричардом Хейнсом в лаборатории полупроводников Bell Labs в феврале 1948 года и теоретически объяснён Уильямом Шокли. Статья Хейнса и Шокли с описанием опыта была опубликована в 1949 году в Physical Review.

Рис. 4.17. Установка для проведения опыта Хейнса в 1948-м году.

Описание эксперимента

В своём первом опыте Хейнс использовал стержень из германия с электронным типом проводимости длиной 25 мм и поперечным сечением около 8 кв. мм. Концы стержня были подключены к батарее, порождавшей в стержне ток электронов (справа налево, из минуса — в плюс). Левый по схеме скользящий контакт-зонд (аналог эмиттера точечного транзистора) был подключен к генератору коротких импульсов тока положительной полярности, правый контакт-зонд (аналог коллектора) был подключен к осциллографу, синхронизируемому генератором в ждущем режиме.

Если бы стержень был изготовлен не из полупроводника, а из металла, то в нём бы протекал только ток электронов, и наблюдаемый на экране осциллографа импульс совпадал бы по времени с импульсом тока генератора. Но в эксперименте с германиевым стержнем на экране осциллографа наблюдалось два импульса. Первый из них, узкий импульс тока замыкания, совпадал по времени с передним фронтом импульса генератора, второй (импульс дырочного тока) значительно отставал от импульса генератора и имел размытую, колоколообразную форму. Задержка и ширина второго импульса увеличивались с ростом расстояния между зондами.

Рис.4.18. Форма сигнала на зонде-коллекторе. Узкий первый импульс совпадает по времени с передним фронтом импульса генератора.

При изменении полярности батареи второй (размытый) импульс не наблюдался.

Шокли объяснил увиденное тем, что эмиттер инжектирует в стержень не электроны, а дырки. Инжектированные дырки дрейфуют в сторону отрицательного полюса батареи (вправо) со скоростью, прямо пропорциональной напряжённости поля в полупроводнике.

Время дрейфа между двумя зондами пропорционально расстоянию между ними. Одновременно, хаотичные тепловые перемещения дырок (диффузия) приводят к размыванию формы импульса. За время дрейфа группы инжектированных дырок между двумя зондами «она может распространиться по всему поперечному сечению образца и вдоль него на величину, кратную нескольким его диаметрам». При изменении полярности батареи дырки движутся в сторону, противоположную коллектору (влево от эмиттера) — поэтому расположенный справа от эмиттера коллектор «не видит» импульса дырочного тока.