Дополнительный вращающий

В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Легирующие элементы III группы создают дырочную электропроводность полупроводниковых материалов и называются акцепторными примесями» элементы V группы — электронную электропроводность и называются донорными примесями.

В гл. 1 отмечалось, что полупроводники могут иметь два типа проводимости: электронную (n-тип), обусловленную донорными примесями N4, и дырочную (р-тип), обусловленную акцепторными примесями Na.

Если атом кремния в кристаллической решетке заместить пятивалентным атомом, например фосфора ( 5, а), то четыре валентных электрона этого атома образуют ковалентные связи с окружающими его четырьмя атомами кремния, а пятый валентный электрон 2 оказывается слабо связанным с атомом фосфора 1. Поэтому даже при небольших температурах он легко отрывается от атома фосфора и делается свободным, т.е. оказывается в зоне проводимости. Зонная диаграмма для этого случая показана на 5, б. Энергетический уровень 4 слабо связанного пятого электрона находится в верхней части запрещенной зоны &3. а сам электрон — в зоне проводимости 3. Здесь образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи, т.е. образованием дырки. Таким образом, в полупроводнике с примесью пятивалентных атомов имеется преимущественно один вид носителей заряда — электроны. Полупроводники, электропроводность которых обусловлена свободными электронами, называют электронными, или полупроводниками п-типа. Атомы примеси, способные отдавать свой электрон, называют донорными примесями, или донорами.

6.36. Образец, рассмотренный в задаче 6.35, легирован донорными примесями и имеет электронную электропроводность. Концентрация доноров равна 1021 м~3. Найти концентрацию дырок в легированном образце, а также определить, какая часть тока в этих условиях переносится дырками. Предполагается, что легирование практически не сказывается на подвижности носителей. При Г=300 К подвижность электронов в кремнии принять цп= =0,135 м2/(В-с); подвижность дырок .цр=0,048 м2/(В-с).

В случае кремния с «-проводимостью вжигание алюминия (являющегося акцептором по отношению к кремнию) может привести к полной компенсации или даже перекомпенсации исходной «-проводимости и возникновению дополнительного п—/^-перехода. Поэтому перед напылением алюминия n-кремний дополнительно обогащают донорными примесями, создавая приповерхностный обогащенный «+-слой. Тогда при вжигании алюминия в кремний концентрация его атомов в приповерхностном слое окажется меньшей, чем концентрация донорных примесей, и «-проводимость не изменится.

Донорными примесями, наиболее широко используемыми при легировании полупроводниковых материалов, являются элементы V группы периодической системы — фосфор, мышьяк и сурьма. При легировании кремния для формирования слоев с электронной электропроводностью чаще других используют фосфор. Это обусловлено тем, что фосфор хорошо растворяется в кремнии, имеет наибольший коэффициент диффузии, а его летучие соединения наименее токсичны. Сурьму и мышьяк применяют при формировании в кремнии сильно легированных скрытых областей, на поверхности которых впоследствии выращивают эпитаксиальные слои. Малые значения коэффициентов диффузии сурьмы и мышьяка предотвращают интенсивное размытие примесного профиля в процессе эпитаксиального наращивания.

Равновесная энергетическая диаграмма гетероперехода между нелегированным арсенидом галлия и легированными донорными примесями, например кремнием, арсенидом галлия-алюминия, приведена на 5.9, б. Штриховая горизонтальная линия соответствует уровню Ферми ?ф, в равновесном состоянии его энергия одинакова для обоих полупроводников, ?в—энергия, соответствующая границе валентной зоны. В нелегированном арсениде галлия (область /) уровень Ферми располагается почти посередине запрещенной зоны, а в легированном донорами (типичная концентрация доноров Мя — (1... 20) • 1017 см~3) арсениде галлия-алюминия (область 2) — вблизи дна зоны проводимости Еп.

Полупроводники с донорными примесями сокращенно называют полупроводниками я-типа проводимости, а полупроводники с акцепторными примесями — полупроводниками р-типа проводимости. Основными носителями в полупроводнике n-типа являются электроны, и их количество обозначается п„. Неосновными носителями в полупроводнике /г-типа являются дырки, и их количество обозначается р„. Основными и неосновными носителями в полупроводнике р-типа будут дырки и электроны; соответственно их количество обозначается через рр и пр, а общая концентрация дырок и электронов — р и п. Концентрацию вводимых донорных и акцепторных атомов обозначают соответственно через Na и Na.

Донорными примесями для кремния обычно являются фосфор или сурьма — элементы V группы. У этих элементов атомы имеют по пять валентных электронов, четыре из которых образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кристалла полупроводника, а пятые электроны, являясь свободными, добавляются в кристалл. Такой примесный полупроводник называют электронным или полупроводником ЛГ-типа. Основными носителями зарядов в нем являются электроны, а неосновными — дырки, имеющиеся в обычных условиях в значительно меньшем количестве.

Физические процессы. Предположим, что электронно-дырочный переход создан в кристалле полупроводника, одна часть которого легирована акцепторными примесями (^-область), а другая — донорными примесями (е-область), причем концентрации примесей в обеих областях одинаковы: Л^а = NK. Будем считать также, что при комнатной температуре (Т = 300 К) практически все примесные атомы ионизированы и в результате генерации пар зарядов в обеих областях имеется некоторое количество неосновных носителей заряда. Таким образом, р-область характеризуется равновесными концентрациями: основных носителей ррй и неосновных

Таким образом, в полупроводниках с донорными примесями основными носителями тока являются электроны, такие полупроводники называются электронными или полупроводниками п-типа.

Независимо от способа получения компенсационный момент возникает в результате взаимодействия двух или нескольких потоков, создаваемых обмоткой напряжения и сдвинутых относительно друг друга в пространстве и по фазе, с токами, наводимыми ими в диске счетчика. При наличии поводка компенсационный момент создается потоками Фи и Фв. Поток Ф« замыкается через пластину с флажком 11, выполненную из магнитомягкого материала, и противополюс 4. Если поводок расположен по радиусу диска, то сила, возникающая в результате взаимодействия потоков Фи и Фз с токами, наведенными ими в диске, действует также в направлении радиуса и дополнительный вращающий (компенсационный) момент отсутствует. При смещении поводка возникающая сила создает дополнительный вращающий момент, компенсирующий момент трения.

Вращающий момент, приложенный к валу генератора, должен уравновешивать момент, связанный с электрической мощностью, отдаваемой в переходном процессе в сеть и расходуемой на покрытие потерь в статоре; появление мощности dWCT/dt может вызвать дополнительный вращающий момент, тормозящий или ускоряющий ротор. Например, при коротком замыкании взаимодействие апериодической составляющей тока ротора приводит к торможению ротора, а при отключении короткого замыкания — к ускорению.

Допустим, что из-за увеличения момента на валу двигателя он начинает тормозиться, скорость п и ЭДС Е уменьшаются. Тогда Etn>E и в цепи якоря увеличивается ток BKL Этот ток будет создавать дополнительный вращающий момент, и двигатель ускорится. В результате двигатель будет работать в установившемся режиме, когда его вращающийся момент равен моменту сопротивления па валу. При этом ВК.1 работает в выпрямительном режиме, ВК2 закрыт, поскольку \Edz\>E.

диск счетчика начинает безостановочно вращаться; /ном — номинальное для счетчика значение нагрузочного тока. При этом напряжение и частота тока в измеряемой цепи должны быть номинальными, a coscp = 1. Согласно ГОСТ 6570—75 порог чувствительности не должен превышать 0,4%—для счетчиков класса точности 0,5 и 0,5% —для классов 1,0; 1,5 и 2,0. Для счетчиков реактивной энергии классов 2,5 и 3,0 значение S должно находиться в пределах 1 %. Для снижения порога чувствительности и его регулировки в счетчике имеется устройство, компенсирующее действие момента трения. Принцип компенсации состоит в том, что рабочий поток Фу параллельного электромагнита вблизи диска искусственно расщепляется на два потока, смещенные в пространстве и сдвинутые по фазе. Расщепление потоков и сдвиг по фазе достигается обычно с помощью медной или латунной пластинки, перекрывающей часть полюса сердечника параллельного электромагнита. Взаимодействие полученных потоков создает дополнительный вращающий момент — компенсационный момент, определяемый зависимостью, аналогичной (3.24).

Для компенсации трения в счетчике создается дополнительный вращающий момент путем ввинчивания в сердечник электромагнита стального винта 12.

Частотная погрешность от взаимной индуктивности возникает в результате того, что переменный поток неподвижной катушки индуктирует в подвижной катушке дополнительный ток, создающий дополнительный вращающий момент

Из этого выражения видно, что дополнительный вращающий момент ,14д / прямо пропорционален индуктивному сопротивлению х, а при х = 0 и Л4Д/ = 0, т. е. по- , , „

ности в амперметрах с параллельным включением катушек: это дополнительный вращающий момент

Допустим, что из-за увеличения момента на валу двигателя он начинает тормозиться, скорость а и ЭДС Е уменьшаются. Тогда Еа\>Е и в цепи якоря увеличивается ток ВК1. Этот ток будет создавать дополнительный вращающий момент, и двигатель ускорится. В результате двигатель будет работать в установившемся режиме, когда его вращающийся момент равен моменту сопротивления на валу. При этом ВК1 работает в выпрямительном режиме, ВК.2 закрыт, поскольку \Ed2\>E.

Вращающий момент, приложенный к валу генератора, должен уравновешивать момент, связанный с электрической мощностью, отдаваемой в переходном процессе в сеть и расходуемой на покрытие потерь в статоре; появление мощности dWcJdt может вызвать дополнительный вращающий момент, тормозящий или ускоряющий ротор. Например, при коротком замыкании взаимодействие апериодической составляющей тока ротора приводит к торможению ротора, а при отключении короткого замыкания — к ускорению.

Вращающий момент, приложенный к валу генератора, Ммех должен уравновешивать момент, связанный с электрической мощностью, отдаваемой в сеть Рэл и расходуемой на потери в статоре ДРСТ; появление мощности dWCT/dt может вызвать дополнительный вращающий момент, тормозящий (при КЗ) или ускоряющий (при отключении его) ротор, поэтому