- •Новая физика электронных приборов. Владивосток
- •Общая характеристика работы
- •1. Возникновение задачи. Исследование полупроводнико-вого диода.
- •1.1. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода при прямом токе.
- •1.1.1. Теория, которая существует сегодня в физике полупровод -ников.
- •1.1.2. Методы измерения вольт-амперных характеристик прямого тока полупроводниковых диодов.
- •1.1.2.1. Основной принцип измерения вах прямого тока
- •1.1.2.2. Применение регулируемого источника напряжения при измерении вах прямого тока pn-перехода.
- •1.1.2.4. Применение амперметров при измерении вах прямого тока pn-перехода.
- •1.1.2.5. Измерение вах прямого тока pn-перехода с применением регулируемого источника тока (стабилизатора тока).
- •1.1.2.6. Измерение вах прямого тока pn-перехода с примене-нием ступенчатого источника тока (стабилизатора тока).
- •1.1.2.3. Схема, позволяющая расширить диапазон, измеряемых токов, при измерении вах прямого тока pn-перехода.
- •1.1.3. Графики вольт-амперных характеристик прямого тока полупроводниковых диодов. Методы наблюдения вольт-амперных характеристик прямого тока кремниевого полупроводникового диода.
- •1.1.4. Моделирование вольт-амперной характеристики прямого тока диода при помощи прямой в полулогарифмическом масштабе.
- •1.1.5. Уравнение Шокли для вольт-амперной характеристики прямого тока полупроводникового диода – как прямая линия в полулогарифмическом масштабе.
- •1.1.7. Вольт-амперные характеристики прямого тока в зависимости от температуры согласно уравнению Шокли.
- •1. Графики уравнения Шокли имеют вид расширяющегося пучка прямых от точки, расположенной на оси ординат.
- •2. Более низкие температуры соответствуют более высокому току, при одном и том же Ua.
- •1.1.8. Зависимость вольт-амперных характеристик прямого тока от температуры, наблюдаемая при эксперименте. Расчёт математической модели.
- •1. Графики экспериментальных данных имеют вид сужающегося пучка прямых, при росте Ua на участке 2.
- •2. Более высокие температуры соответствуют более высокому току, при одном и том же Ua на участке 2.
- •1.1.9. Эмпирическое уравнение, заменяющее ошибочное уравнение Шокли для вольт-амперной характеристики прямого тока полупроводникового диода.
- •1.1.10. Несколько математических моделей полупроводниковых диодов
- •1.1.11. Взаимосвязь коэффициентов эмиссионного уравнения и уравнения Шокли.
- •1.1.12. Теория обратных связей. Логарифмическое уравнение как уравнение системы с отрицательной обратной связью.
- •1.1.12.1. Математика процессов обратных связей. Оос. Пос.
- •1.1.12.2. Уравнение обратной связи для линейной функции. Оос.
- •1.1.12.3. Уравнение отрицательной обратной связи для экспоненциальной функции.
- •1.2. Вывод по 1-й части .
- •2. Исследование вакуумного диода.
- •2.1. Эксперимент с. Дэшмана.
- •2.1.1. Описание эксперимента с. Дэшмана.
- •2.1.2. Математическая обработка результатов эксперимента с. Дэшмана. Кривая а-а′ как тепловой процесс.
- •2.1.3. Математическая обработка результатов эксперимента с. Дэшмана. Кривая b-b′ как электрический процесс.
- •2.1.4. Тепловой и электрический – два ограничивающих друг друга процесса.
- •2.1.5. Математическая модель вольт-амперной характеристики анодного тока электровакуумного диода с вольфрамовым като -дом, построенная на основе эмиссионного уравнения.
- •2.1.6. Две отрицательные обратные связи в математической модели вольт-амперной характеристики анодного тока электровакуумного диода с вольфрамовым катодом.
- •3. Решение задачи.
- •3.1. Теория теплового заряда.
- •3.1.1. История теории теплового заряда.
- •3.1.2. Опыт, показывающий связь между электрическими и тепловыми явлениями.
- •3.1.3. Теории теплового заряда.
- •3.1.3. 1. Что такое тепловой заряд.
- •3.1.3. 2. Две теории теплового заряда.
- •3.2.1. Построение физики от энергий.
- •3.2.2. Физические законы для системы электрического и теплового зарядов.
- •3.2.2.1. Электрический ток.
- •3.2.2.2. Параметр электрического сопротивления.
- •3.2.2.3. Тепловой ток ( мощность).
- •3.2.2.4. Температура или тепловое напряжение.
- •3.2.2.5. Второе определение теплового тока.
- •3.2.2.6. Параметр теплового сопротивления.
- •3.2.2.7. Параметр тепловой ёмкости.
- •3.2.2.8. Ток энергии 4-го уровня.
- •3.2.2.9. Составной термо-электрический потенциал (стэ-потенциал).
- •3.2.2.10. Сопротивление флуктуационному току.
- •3.2.3. Блок-схема для формул основных физических законов.
- •3.2.4. Движение энергий-зарядов во времени.
- •3.3. Вывод эмиссионного уравнения из теории об иерархии зарядов-энергий.
- •3.3.1. Преобразование эмпирического уравнения вольт-амперной характеристики прямого тока для вакуумного и полупроводникового диода.
- •3.3.2. Вывод эмиссионного уравнения. (Вывод уравнения вольт-амперной характеристики прямого тока для полупроводникового диода в зависимости от температуры. )
- •3.3.3. Определение для основного закона о соотношении флуктуационного и электрического тока.
- •3.3.4. Два составных термоэлектрических потенциала в вольт-амперной характеристике прямого тока полупроводникового диода.
- •3.3.5. Вольт-амперная характеристика вакуумного диода с вольфрамовым катодом. Эксперимент с. Дэшмана.
- •3.3.6. Как работает математическая модель закона Ричардсона- Дэшмана.
- •3.3.7. Четыре составных термоэлектрических потенциала в вольт-амперной характеристики прямого тока электровакуумного диода.
- •3.3.8. Расчёт вольт-амперной характеристики прямого тока для полупроводникового диода.
- •3.3.9. Расчёт вольт-амперной характеристики прямого тока для электровакуумного диода с вольфрамовым катодом.
- •3.3.10. О правильности применения экспоненциальной функции.
- •3.3.11. Вывод по 3-й части .
- •4. Новая физика электронных приборов.
- •4.1. Термоэлектроника.
- •4.1.1. Определение термоэлектроники.
- •Термоэлектроника, дисциплина, изучающая эмиссию электронов или ионов с поверхности нагретого проводника, и техника, основанная на этом принципе.
- •Термоэлектроника, дисциплина, изучающая эмиссию электронов или ионов с поверхности нагретого проводника, и техника, основанная на этом принципе.
- •4.1.2. Закон Видемана-Франца.
- •4.1.3. Модель атома, допускающая передачу тепла посредством электронов.
- •4.1.4. Термоэлектронная эмиссия.
- •4.1.5. Термопары.
- •4.1.6. Полупроводниковые диоды.
- •4.1.7. Транзисторы.
- •4.1.8. Электровакуумный диод.
- •4.1.9. Двухэлементные генераторы термо-эдс.
- •4.1.10. Элементы Пельтье. Трёхэлементный генератор температурного напора.
- •4.1.11. Термоэлектроника – основа для объяснения электронного управления, и принципа работы электронных приборов.
- •4.2. Принцип работы полупроводникового диода.
- •4.2.1. О теплопередаче.
- •4.2.2. Электрический процесс.
- •4.2.4. Контакт двух различных металлов - проводников.
- •4.2.5. Контакт полупроводников.
- •4.2.6. Контакт изоляторов.
- •4.3. Кристаллический детектор.
- •4.3.1. История кристаллических детекторов.
- •4.3.2. Объяснение работы кристаллического детектора теорией эдп.
- •4.3.3. Объяснение работы кристаллического детектора теорией термо-электронной эмиссии.
- •4.4. Опыт Хейнса — Шокли с точки зрения термоэлектрической теории.
- •4.4.1. Описание опыта Хейнса — Шокли.
- •4.4.2. Термоэлектрические свойства германия.
- •4.4.3. Опыт Хейнса — Шокли с позиции термоэлектроники.
- •4.4.4. Опыт Хейнса — Шокли с позиции термоэлектроники. Дырочная теория Шокли заменяет собой термоэлектрические явления.
- •4.5. Принцип работы транзистора в схеме с общей базой и в схеме с общим эмиттером.
- •4.5.1. Принцип работы транзистора. Схема с общей базой .
- •4.5.2. Принцип работы транзистора. Схема с общим эмиттером.
- •4.6. Физическое явление – гроза.
- •4.6.1. Тепловой процесс.
- •4.6.1.1. Что такое термодинамическая система. Основной закон Вселенной.
- •4.6.1.2. Вложенность термодинамических систем.
- •4.6.1.3. Что такое нагретое тело.
- •4.6.1.4. Что такое холодное тело.
- •4.6.1.5. Что такое источник тепла.
- •4.6.1.6. Как взаимодействует источник тепла с нагретым телом.
- •4.6.1.7. Способы теплопередачи.
- •4.6.1.8. Что такое температура.
- •4.6.1.9. Климат планеты Земля. Два источника тепла планеты Земля.
- •4.6.1.10. Что такое тепловой диполь и тепловой конденсатор.
- •4.6.2. Электрический процесс.
- •4.6.2.1. Электрические атмосферные наблюдения.
- •4.6.2.2. Теплопередача и термоэлектронная эмиссия.
- •4.6.3. Гипотеза о термоэлектрическом принципе действия грозы.
- •5. Математическое моделирование в электронике.
- •5.1. Физика и математика.
- •5.1.1. Физика.
- •5.1.2. Ошибки современной физики.
- •5.1.3.Ошибки теории.
- •5.1.4. Новые приоритеты, как путь к развитию физики.
- •5.2.3. Двухмерный процессовый переход. Общее уравнение для функции процессового перехода. Внешняя функция процессового перехода.
- •5.2.4. Внешняя степенная функция процессового перехода. Показатель степени как регулятор кривизны переходного участка.
- •5.2.5. Внешняя степенная функция процессового перехода по принципу результирующей минимизации.
- •5.2.6. Внешняя степенная функция процессового перехода по принципу результирующей максимизации.
- •5.2.7. Задача о мини-максимизации и макси-минимизации.
- •5.2.8. Математика процессового перехода. Асимптоты.
- •5.3. Общий случай обратной связи. Присутствие отрицательной обратной связи в функции процессового перехода.
- •5.3.1. Уравнение обратной связи для степенной функции. Оос.
- •5.3.2. Общий случай обратных связей.
- •5.3.2.1. Mатематическое определение обратных связей.
- •5.3.2.2. Доказательство эквивалентности системы с оос как системы с переходом процессов.
- •5.4. Внешняя экспоненциальная функция процессового перехода..
- •5.4.1. Внешняя экспоненциальная функция процессового перехода. Зависимость кривизны участка перехода от масштабов функций.
- •5.5. Математическое моделирование процессов в электронных приборах.
- •5.5.1. Математическая модель процессового перехода с внешней степенной функцией для вольт-амперной характеристики вакуумного диода с вольфрамовым катодом.
- •5.5.2. Особенности математической модели процессового перехода с внешним логарифмическим уравнением называемым «эмиссионным уравнением».
- •5.5.3. Математическая модель процессового перехода с внешним логарифмическим уравнением называемым «эмиссионным уравнением», для вольт-амперной характеристики прямого тока полупроводникового диода.
- •5.5.5. Примеры моделирования результирующей функции, для двух процессов, ограничивающих рост друг друга при эмиссионном уравнении, в качестве внешней функции.
- •5.6. Основы математического моделирования вольт-амперных характеристик биполярного транзистора.
- •5.6.1 Четыре основные вольт-амперные характеристики прямого тока для p-n переходов биполярного транзистора.
- •5.6.2. Условия измерений и математические модели вольт-амперных характеристик прямого тока для p-n переходов.
- •5.6.3. Способы наблюдения вольт-амперных характеристик прямого тока для pn-переходов .
- •5.6.4. Уравнение вольт-амперной характеристики pn-перехода.
- •5.6.5. Эмиссионное уравнение для прямого тока p-n перехода.
- •5.6.6. Моделирование функции fbe0 при помощи эмиссионного уравнения.
- •5.6.7. Моделирование функции fbe1 при помощи эмиссионного уравнения.
- •5.6.8. Моделирование функции fbk0 при помощи эмиссионного уравнения.
- •5.6.9. Моделирование функции fbk1 при помощи эмиссионного уравнения.
- •5.6.10. Инжекционный ток, как тепловой ток.
- •5.6.11. Особенности математического моделирования вольт-амперных характеристик биполярного транзистора.
- •5.6.12. Эмиссионное смещение как переход процессов.
- •5.6.14. Вывод по 5-й части.
- •16 Января 2014 г.
- •Графики вольт-амперных характеристик прямого тока полупроводниковых диодов.
- •1. Релаксация тепловой энергии нагретого тела.
- •1.1. Вывод закона Ньютона-Рихмана на основе закона Фурье.
- •1.2. Вывод закона Ньютона-Рихмана на основе теории зарядов-энергий.
- •1. Релаксация электрической энергии при разряде конденсатора на резистор.
- •1.1. Вывод закона релаксации электрической энергии при разряде конденсатора на резистор.
- •§ 74. Конденсатор в цепи с сопротивлением
- •1.2. Вывод закона релаксации электрической энергии, при разряде конденсатора на резистор, на основе теории Зарядов-Энергий.
- •1. Релаксация магнитной энергии в катушке индуктивности.
- •1.1. Вывод закона релаксации магнитной энергии в катушке индуктивности.
- •§ 95. Исчезновение и установление тока
- •1.2. Вывод закона релаксации магнитной энергии в катушке индуктивности на основе теории Зарядов-Энергий.
- •1. Математика пучка прямых.
- •1. Изотоковые характеристики.
- •1.1. Управление эмиссионной способностью.
- •1.2 Изотоковые характеристики в эксперименте с. Дэшмана.
- •1.3. Термоэлектронная эмиссия p-n перехода при протекании прямого тока в кремниевом диоде кд213а.
- •1.4. Изотоковые характеристики полупроводникового кремниевого диода кд213а.
- •1.4. Вывод.
- •1.1. Реостатный принцип усиления. Влияние сопротивления нагрузки на выходное напряжение.
5.6.14. Вывод по 5-й части.
В 5-й части книги рассмотрены пути развития физики.
В главах 5.2.1. – 5.2.8. приведены задачи, решаемые при помощи теории процессового перехода.
В 5.3.1. рассмотрены обратные связи.
В главе 5.5.5. рассматриваются математические модели с процессовым переходом для электронных приборов.
В главах 5.6.1 – 5.6.12 приведены основы моделирования вольт-амперных характеристик для биполярного транзистора.
Заключение
Как мы знаем, вольт-амперная характеристика на среднем своём участке (для кремниевых диодов : Ua = от 0,3 до 1,0 Вольт), обладает экспоненциальной характеристикой.
В 1949 году У. Шокли решил эту задачу, применяя ЭДП. Рассмотрим его решение.
Начальная предпосылка решения заключалась в утверждении, что в полупроводниках существовал объёмный пространственный заряд (ОПЗ) при этом можно было аналитически вычислить концентрацию «дырок» и электронов. Предполагалось, что статистика «дырок» и электронов подчинялась статистике Ферми-Дирака.
Здесь же в теории ЭДП мы можем узнать об уровнях Ферми, принципе запрета Паули, о валентной зоне, запрещённой зоне и зоне проводимости.
Вывод уравнения Шокли начинается с уравнения для произведения концентраций дырок и электронов:
nn∙np = A exp ( - Eg/(k∙T)) (1)
Здесь мы воспользуемся учебным пособием МГТУ им. Баумана,
И. Н. Фетисов «Проверка формулы Шокли для PN-перехода и определение ширины запрещённой зоны.» Методические указания к лабораторной работе по курсу общей физики. Под редакцией
А. С. Епифанова, Москва 2007 г.
Далее из формулы (1) рассматривается два следствия:
nn = np = A1/2 exp ( - Eg/(2∙k∙T))
где A – коэффициент пропорциональности, слабой зависимостью которого от температуры можно пренебречь по сравнению с сильной зависимостью экспоненциального множителя.
Далее в главе 3 рассматривается PN-переход, а в главе 4 выводится уравнение вольт-амперной характеристики PN-перехода.
Вывод уравнения начинается с утверждения:
«
Чтобы получить вольт-амперную характеристику диода, необходимо знать энергетический спектр электронов и дырок, который получен в квантовой механике и называется распределением Ферми-Дирака. Не рассматривая спектр в целом, приведём зависимость для наиболее энергичных электронов, от которых зависит ВАХ. Концентрация электронов с энергией больше, чем E, с ростом энергии, убывает по экспоненциальному закону.
»
nn (>E) = B∙exp ( - E/(k∙T))
где B – постоянная, точнее, слабо зависит от температуры. Дырки имеют такой же спектр.
Далее поясняется :
«
Если «минус» источника напряжения U соединить с P-областью, а «плюс» - с N-областью, то высота барьера увеличиться на q∙U (q – модуль заряда электрона). В этом случае, говорят, что к диоду приложено обратное смещение. В соответствии с энергетическим спектром, число основных носителей, преодолевающих более высокий барьер, уменьшится на множитель exp (-q∙U/ (k∙T)), поэтому полный ток через переход станет равным
I = - IS +IS∙exp (-q∙U/(k∙T)) (4)
IS - это ток неосновных носителей.
Если изменить полярность источника на противоположную, то высота барьера уменьшится на величину q∙U по сравнению с равновесной (прямое включение), а ток основных носителей возрастёт на множитель exp(q∙U/(k∙T)). При этом полный ток будет равен
I = - IS +IS∙exp (q∙U/(k∙T)) (5)
При прямом смещении ток протекает в положительном направлении (из p-области в n-область), а при обратном смещении направление тока изменяется. Напряжению источника U припишем знак «плюс» при прямом смещении и «минус» при обратном смещении. Тогда формулы (4) и (5) можно объединить
I = IS ∙ { exp (q∙U/(k∙T)) -1 } (6)
Формула (6) описывает вольт-амперную характеристику идеального электронно-дырочного перехода, её называют формулой Шокли (один из изобретателей транзистора, Нобелевский лауреат).
»
Здесь приведён весь вывод формулы Шокли.
Вывод уравнения вольт-амперной характеристики прямого тока для полупроводникового диода в зависимости от температуры на основе теории энергий-зарядов приведён в главе 3.3.2.
Уравнение для вольт-амперной характеристики выглядит так:
(1.1.9.,05)
Это уравнение проходит экспериментальную проверку.
Так, как уравнение Шокли для вольт-амперной характеристики прямого тока полупроводникового диода противоречит экспериментальным данным, следует сделать дополнительные выводы:
1. На PN–переход не распространяется статистика Ферми-Дирака.
2. На PN–переход не распространяется запрет Паули.
3. Запрещённой зоны, измеряемой в единицах энергии (Джоуль, эрг, электроновольт) не существует.
4. Существуют два барьерных потенциала при переходе электронов из зоны N в зону P и стабильная разность потенциалов зоны N:
- TF – барьерный тепловой потенциал, измеряемый в единицах температуры.
- UB – барьерный электрический потенциал, измеряемый в единицах электрического напряжения.
- UD - стабильная разность потенциалов зоны N.
5. Необходима другая теория электронной проводимости. Самая начальная часть этой теории представлена в данной работе.
Для исследования процессов передачи тепла в вакууме необходимо провести эксперимент с двумя подогреваемыми электродами. Изменяя температуры электродов, можно исследовать вольт-амперные характеристики для тока между электродами.
Пусть эти два электрода будут – две раскалённые вольфрамовые нити. Ответить надо на один вопрос: будет ли ток между электродами в вакууме, если приложить анодное напряжение и если они оба будут нагреты до температуры 2400 Кельвин?
Багницкий Валерий
Nether0@list.ru