Электроны перемещаются

Результирующий ток через переход складывается из двух встречных потоков электронов. Из р- в n-область валентные электроны переходят на свободные уровни в зоне проводимости, а из п-в р-об-ласть электроны проводимости переходят на свободные уровни валентной зоны. При отсутствии смещения, что соответствует нулевой точке вольт-амперной характеристики ( 5.25), эти два потока взаимно уравновешиваются и /пр = 0.

При поглощении энергии атомом электроны переходят на более высокие энергетические уровни, которые называются уровнями возбуждения. Атомы, имеющие электроны на уровнях возбуждения, называются возбужденными. Атом, потерявший электрон, становится положительным ионом.

Фоторезистивные приборы. Фотоны света, взаимодействуя с атомами полупроводника, передают энергию валентным электронам. Если эта энергия достаточно велика, то валентные электроны переходят в зону проводимости, оставляя дырки в валентной зоне. Образовавшиеся электроны проводимости и дырки в валентной зоне увеличивают электропроводимость полупроводника. Это позволяет создавать полупроводниковые фоторезисторы, сопротивление которых обратно пропорционально интенсивности светового потока. Фоторезисторы используют для тех же целей, что и фотоэлементы, но они значительно их чувствительнее и проще в изготовлении. В простейшем случае фоторезистор представляет собой тонкую пластинку полупроводника, к торцам которой присоединены контакты.

Электролюминесценция наблюдается и в полупроводниковых диодах при протекании через них электрического тока в прямом направлении. При этом электроны переходят из /г-области в р-об-ласть и там рекомбинируют с дырками. Рекомбинация означает, что электроны из зоны проводимости переходят в валентную зону, а избыток энергии излучается в виде фотонов. В зависимости от ширины запрещенной зоны фотоны имеют частоты в видимой или невидимой человеком части светового спектра. Для получения видимого света ширина запрещенной зоны полупроводника должна составлять от 1,6 (красный цвет) до 3,1 эВ (фиолетовый свет). В общем случае возможны не только переходы из зоны проводимости в валентную зону, но и переходы на уровни примесных атомов, что также позволяет получать свет практически любого цвета. Излучающие свет полупроводниковые диоды — светодиоды — широко используются в радиоэлектронике для создания цифровых индикаторов, оптронов, лазеров и т. д.

Под действием электрического поля, обусловленного контактной разностью потенциалов UK ( 17.9, а), неосновные носители р-области — электроны — переходят в «-область, а неосновные носители «-области — дырки — в р-область. В результате этого процесса в «-области возникает избыток электронов, а в р-области — избыток дырок. Таким образом, на зажимах фотодиода возникает фо-то-ЭДС Еф, равная контактной разности потенциалов и имеющая значение около 1 В. ~7Г При замыкании осве-

в) вентильный, если оторвавшиеся электроны переходят из освещенного слоя в слой, отделенный р-п переходом.

При соединении электродов элемента проводником в цепи возникает ток, свободные электроны переходят на медную пластину, электрическое поле между цинковым электродом и электролитом ослабляется. В результате нарушается равновесие электрических и сторонних сил, и под влиянием последних ионы цинка снова переходят в раствор, а положительные ионы водорода приближаются к медной пластине, взаимодействуют с ее свободными электронами и превращаются в нейтральные молекулы водорода. Медный электрод оказывается отделенным

В этом полупроводнике ( 4-16) свободные электроны переходят (диффундируют) из n-области с электронной

вой пластине происходит окисление цинка. Электроны переходят через внешнюю цепь к медной пластине и нейтрализуют положительные ионы водорода, подошедшие к этой пластине через границу раствор — медь. Образовавшиеся атомы водорода объединяются в молекулы, на поверхности меди наблюдается выделение пузырьков газообразного водорода.

При работе химического источника тока на нагрузку, т. е. в условиях, когда положительный и отрицательный электроды соединены внешней цепью, через которую проходит ток (ом. 1), потенциалы электродов сдвигаются от равновесного значения. Электроны переходят через внешнюю цепь от отрицательного электрода к положительному; при этом потенциал отрицательного электрода становится более положительным (или менее отрицательным), потенциал положительного электрода становится более отрицательным (или менее положительным). Для некоторых электродов сдвиг потенциала от равновесного значения составляет небольшую величину. Например, для цинкового электрода такой сдвиг обычно составляет 0,05 — 0,2 В.

Направленное движение носителей заряда под действием электрического поля называют дрейфом. Электроны, получая ускорение в электрическом поле, приобретают на длине свободного пробега дополнительную энергию около 10 8 — 10~4 эВ. При этом электроны переходят на более высокие энергетические уровни

Электроны, находящиеся в зоне проводимости (свободные электроны), перемещаются внутри твердого тела, не вылетая за пределы кристалла. Электрон может покинуть твердое тело только в том случае, когда он получит дополнительную энергию (например, при повышенной температуре). Работа, которую при этом необходимо совершить, называется работой выхода; величина ее зави-16

Проводники в электрическом поле. Под действием внешнего электрического поля с напряженностью Е\ в металлическом теле ( 1.4) свободные электроны перемещаются к одной поверхности, которая получает отрицательный заряд, противоположная поверхность заряжается положительно (явление электростатической индукции).

Э.д.с. в проводнике, движущемся в магнитном поле. В проводнике, движущемся под действием механической силы в магнитном поле так, что он пересекает линии магнитной индукции ( 3.23, а, б), возникает электродвижущая сила. Свободные электроны проводника А Б движутся вместе с ним со скоростью v. Электромагнитная сила действует на каждый электрон (силы Лоренца) и, согласно правилу левой руки, направлена вдоль проводника, а по величине определяется выражением (3.24), которое в применении к заряду электрона принимает вид F,, = BeoV. Под действием этой силы электроны перемещаются к одному концу проводника, где создают избыточный отрицательный заряд, а на другом конце образуется такой же по величине положительный заряд. Разделение заря-

Объемные заряды примесных ионов образуют внутреннее электрическое поле, напряженность которого имеет максимум на границе раздела вследствие изменения знака и величины этих зарядов ( 1.2,6) . Электрическое поле не только ограничивает диффузию основных носителей заряда, но и способствует перемещению неосновных носителей. Через переход ( 1.2, г) электроны из области п в область р уходят за счет диффузии, в обратном направлении электроны перемещаются электрическим полем за счет дрейфа. В свою очередь можно считать, что дырки диффундируют из слоя р в слой п, а также дрейфуют во встречном направлении. При отсутствии внешних источников питания нулевому значению тока в переходе соответствует равенство этих встречных потоков.

Термоэлектронной эмиссией называют явление испускания электронов нагретым металлом (катодом). При нагревании катода скорости хаотического движения электронов увеличиваются, что приводит к возрастанию их кинетической энергии. В результате число электронов, выходящих из металла, увеличивается. Эти электрэны скапливаются около катода за счет притягивающего действия положительных ионов металла. Таким образом, вокруг катода образуется электронное облако, внутри которого электроны перемещаются в различных направлениях. При этом определенная часть их возвращается обратно на катод. С увеличением числа вышедших электронов плотность облака растет и дальнейший выход их затрудняется, а число возвращающихся на катод электронов увеличивается до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие: число вышедших электронов окажется равным числу возвратившихся.

Электрическое поле действует с одинаковой силой на каждый свободный электрон и положительный ион (атом, потерявший один электрон), но так как масса электрона в несколько тысяч раз меньше массы положительного иона, то подвижности электронов и ионов резко отличаются. Электроны перемещаются значительно быстрее ионов, поэтому ток при дуговом разряде образуется главным образом свободными электронами.

левой руки. Под действием электромагнитных сил свободные электроны перемещаются на один конец провода, создавая на этом конце избыточный отрицательный заряд. На другом конце провода ввиду недостатка электронов возникает избыточный положительный заряд. Таким образом, на концах провода создаются равные и противоположные по знаку электрические заряды. По мере накопления зарядов усиливается напряженность электрического поля этих зарядов в проводе и на каждую заряженную частицу внутри провода, кроме электромагнитной силы, действует сила электрического поля F, направленная противоположно электромагнитной силе (см. также § 2-3).

вследствие теплового движения образуются новые электроны и дырки. Электроны перемещаются против электрического поля в пограничном слое, а дырки — в противоположном направлении. Это обусловливает возникновение теплового тока iT, направленного слева направо ( 18-8,6). При отсутствии внешнего тока через полупроводник сумма этих токов равна нулю: IR + IT = 0. Включим теперь полупроводниковый диод в цепь постоянного тока в прямом, проводящем, направлении ( 18-9, а). Прямое направление, в котором диод обладает малым сопротивлением, соответствует протеканию тока от Р-слоя к JV-слою, когда приложенное напряжение уменьшает потенциальный барьер Дф в электронно-дырочном переходе на величину и„ ( 18-9,6). Благодаря снижению потенциального барьера, который препятствует диффузии, облегчается диффузия дырок и электронов в области N и Р соответственно. При этом увеличивается рекомбина-ционный ток 1д, а тепловой ток iT остается неизменным при данной температуре, так как зависит только от числа дырок и электронов, образующихся при тепловом движении. Теоретически рекомбина-ционный ток неограниченно возрастает с уменьшением потенциального барьера Дф — и„, т. е. с увеличением напряжения ип, приходящегося на электронно-дырочный переход. Зависимость тока i через диод, равного разности токов jR — iT, от напряжения на диоде, приблизительно равного напряжению ип на переходе, дана на 18-10.

проводник поместить во внешнее электрическое поле, то электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, начнут перемещаться (дрейфовать) под действием поля, что и создаст электрический ток. При этом электроны перемещаются против направления электрического поля, а дырки, как положительные заряды,-- по направлению поля. Электропроводность собственного полупроводника, возникающая за счет нарушения ковалентных связей, называется собственной электропроводностью.

В слабых электрических полях электронная электропроводность незначительна. Свободные электроны, которые попадают в диэлектрик, поляризуют некоторую окружающую их область диэлектрика. В результате вокруг электрона кристаллическая решетка искажается. Говорят, что вокруг электрона имеет место «шуба», состоящая из поляризованной области диэлектрика. Электрон, окруженный поляризованной областью, называют поляроном. Если электроны перемещаются в электрическом поле, то перемещается и «шуба», т. е. перемещается полярон. А это во много раз повышает эффективную массу электрона и скорость упорядоченного движения электрона уменьшается. Поэтому проводимость за счет такого механизма перемещения электрона невелика.

Таким образом, через границу перехода наблюдаются встречные потоки одноименно заряженных частиц и, следовательно, текущие навстречу друг другу токи. В результате диффузии основные носители зарядов — дырки и электроны — перемещаются в противоположных направлениях, но поскольку они переносят электрические заряды противоположных знаков, то образуют ды-