Энергетические возможности

Эффект Фарадея представляет собой один из магнитооптических эффектов, которые позволяют исследовать энергетические состояния (особенно вблизи краев зон), природу примесшх центров, надежно измерять эффективные массы носителей заряда, их концентрацию и подвижность.

В арсениде галлия, легированном донорами (Те, Se и др.), р-п-переход обычно создают путем диффузии акцепторов (Zn, Cd и др.). Области с электропроводностью р- и n-типа должны иметь концентрации соответствующих примесей, при которых энергетические состояния электронов и дырок близки к вырождению. Для создания невыпрямляющего контакта с п-об-ластью монокристалл с диодной структурой припаивают к пластинке молибдена, покрытой слоем золота ( 9.12). На поверхность р-области наносят слой сплава золота с серебром. Инверсную населенность значительно проще можно создать в полупроводниковом инжекционном лазере с гетеропереходами ( 9.13). Базовую область такой структуры делают из полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны и большей диэлектрической проницаемостью, чем у эмиттерных областей. Инжектированные в базу носители заряда оказываются в потенциальных ямах. Различие показателей преломления (диэлектрических прони-иаемостей) базовой и эмиттерных областей приводит к полному внутреннему отражению квантов света на гете-

Работа выхода. Как известно из курса физики, выходу электронов из твердого тела препятствуют электрические силы взаимодействия электрона с телом. Наивысшая энергия Еф — энергия Ферми, которой обладает электрон в металле при Т = О К, недостаточна для преодоления этих сил. Примем за нулевой уровень энергию электрона в вакууме, бесконечно удаленного от поверхности твердого тела и не подвергающегося воздействию каких-либо сил. Тогда энергетические состояния электронов в твердом теле должны лежать ниже этого уровня. Будем считать их энергию, отрицательной, так как в твердом теле, как и в любой другой устойчивой системе, запасена некоторая энергия, определяющая устойчивость системы. Таким образом, можно считать, что уровень

Это означает, что при равномерном распределении примесей по объему полупроводника отдельные примесные атомы отделены друг от друга расстояниями в несколько сотен постоянных кристаллической структуры ?-0. При таких концентрациях волновые функции соседних примесных атомов практически не перекрываются, и энергетические состояния всех атомов примеси характеризуются единым дискретным энергетическим уровнем. Поскольку этот энергетический уровень существует лишь вблизи атома примеси, его часто называют локальным ( 9-3, в и 9-4, в). Энергетические зоны примесей. В ряде случаев концентрацию примесей в полупроводниковых материалах доводят примерно

нет. Все валентные электроны локализованы вблизи атомов и попарно образуют ковалентные связи между соседними атомами. Все энергетические уровни в валентной зо'не заняты. Валентные электроны совершают хаотические туннельные переходы без изменения энергии из одной потенциальной ямы в другую, но в любой момент времени все энергетические состояния остаются заполненными.

Зонная теория дает представление об энергетическом спектре твердого тела в виде ряда энергетических зон, каждая из которых содержит разрешенные для частиц энергетические состояния. Число дискретных энергетических состояний внутри зоны равно числу атомов, объединенных в единую систему — кристалл, а ширина зоны, т. е. 'расстояние между ее наивысшим и наинизшим уровнями (потолком и дном зоны), зависит от'степени перекрытия волновых функций соседних атомов. Для решения таких важных вопросов, как характер размещения энергетических состояний внутри зон и законы размещения частиц по этим состояниям, привлекаются методы статистической физики. Основная задача статистики применительно к коллективу частиц заключается в определении вероятности того, что некоторая г'-я частица обладает энергией в интервале от Е до Е -f- Д?\

Из 9-12 видно, что уровень Ферми при Т = О К отделяет энергетические состояния, занятые частицами, от свободных эяер-

гетических состояний или, иначе говоря, уровень Ферми отделяет энергетические состояния, вероятность замещения которых больше 1/2, от состояний с вероятностью замещения меньше 1/2. Следовательно, уровень Ферми — это такое энергетическое состояние, вероятность замещения которого равна 1/2. Последняя характеристика уровня Ферми остается справедливой для любых температур системы.

Для открытой зоны функция Фкв (Е) -при Т = О К имеет вид, показанный на 9-13, а. Энергетические состояния заполнены

Изменение функций распределения при Т > О К. Предположим, что система частиц находится при температуре, отличной от нуля (Тг > О К). Как видно, из (9-37) и (9-38), функция SKB (Е) не зависит от температуры. Две другие функции: FKS (Е) и Фкв (Е) с повышением температуры должны измениться. Частицы, получая дополнительную энергию при повышении температуры (7\ > > О К), должны перейти в более высокие энергетические состояния. Однако такие переходы смогут совершить только те частицы, для которых новые, более высокие энергетические состояния свободны. Иначе говоря, воспринять дополнительную тепловую энергию могут лишь те частицы, энергия которых при Т = О К меньше энергии Еф на величину порядка kT^. Частицы, находившиеся при Т = О К в низких энергетических состояниях, совершить такие переходы и, следовательно, воспринять дополнительную тепловую энергию не могут, так как те состояния, в которые они должны перейти, заняты другими частицами. Таким образом, изменение функции Fm (E) с температурой следует ожидать вблизи энергетического уровня Е = Еф. Слева от уровня Еф вероятность заполнения состояний частицами становится меньше единицы, а справа от уровня Еф эта вероятность оказывается отличной от нуля ( 9-14, а). Так, например, при Е = Еф — 4/сГ функция >кв (Е) ж 0,98, а при Е = Еф + 4йГ функция FKB (Е) » 0,02. Очевидно, что с повышением температуры интервал изменения функции увеличивается, Однако цри любой Температуре ВбрОЯТ-ность замещений уровня Ферми Еф остается неизменной и равной 1/2.

Переход возбужденных атомов, ионов и молекул в нижние энергетические состояния, включая основное, а также процесс рекомбинации электрона с ионом часто сопровождаются излучением фотона. Спектр оптического излучения в газовом разряде простирается от инфракрасной области до глубокой ультрафиолетовой (вплоть до рентгеновского излучения).

Свобода действий проектировщика обычно ограничена. Чаще всего встречаются параметрические ограничения, связанные с тем, что при выборе какого-либо элемента системы проектировщик вынужден считаться с заданным диапазоном возможных изменений его параметров. Примером могут служить ограничения, связанные с конечностью коэффициентов усиления, наличием постоянных времени и т.п. Не менее часто приходится иметь дело с функциональными ограничениями, обусловленными тем, что предельные значения выходных переменных элементов системы ограничены.. Примером могут служить: насыщение магнитной системы электрической машины, ограничение выходного напряжения операционного усилителя и т. п. Приходится также учитывать энергетические возможности ряда элементов, т. е. ограничения по потребляемой или выделяемой энергии, а также по запасу энергии. С одной стороны, энергетические ограничения характеризуют значение потребляемой или отдаваемой мощности элементов, с другой — их эксплуатационную надежность и работоспособность. Наконец, следует иметь в виду и информационные ограничения, заключающиеся в том, что не все переменные процесса, интересующие проектировщика, могут быть измерены или наблюдаемы.

Однако энергетические возможности силовых приводных механизмов ограничены не только из-за природы усилий (механических, электромагнитных, газа, жидкости), но и из-за специфических требований производства и эксплуатации коммутационной аппаратуры. Так, при выборе привода важными критериями являются: энергетические показатели относительно единицы массы, объема привода (аппарата), КПД (отношение выходной энергии к запасенной), время подготовки к работе, стоимость изготовления и эксплуатации привода (аппарата), место привода в аппарате, конструктивные особенности аппарата.

оценить его энергетические возможности и качество, определить такие характеристики, как чувствительность и другие. [Л. 2-34]. Полезные результаты при анализе энергетических соотношений в измерительных преобразователях были получены применительно к электромеханическим преобразователям [Л. 2-34—2-37]. Например, было установлено [Л. 2-35], что чувствительность и быстродействие магнитоэлектрических гальванометров (при использовании существующих материалов) не могут быть повышены без увеличения потребляемой "энергии от источника информации.

К энергетическим параметрам лазера относятся прежде всего энергия и мощность лазерного излучения. Энергия определяет энергетические возможности лазера.

Реакция выходной координаты системы Дфс — х$ ( 4-29) на с'П'гтекчатое управление Д<рЕ — 1 при найденных значениях опти-MH,;:,Hpve\;brc параметров близка к требуемой, Систему в результате варьирования пяти параметров удается настроить .желаемым образом, обеспечив быстродействие, характеризуемое частотой среза разомкнутого контура положения, близкой к частоте упругих колебаний двухмассового объекта управления WT --- 1/Т7 = 7,5 c~L. В связи с этим важно установить, насколько ее реальные энергетические возможности позволяют реализовать рассмотренные ва-рианты насгройки. Так, при отработке системой, настроенной на

Электроснабжение городов в основном осуществляется от электрических систем, через районные понизительные подстанции. Энергетические возможности и условия электроснабжения в ряде районов страны определяют целесообразность сооружения электрических станций на террито'рии городов. Такие паротурбинные станции часто обеспечивают потребителей не только электроэнергией, но и теплом, в связи с чем их называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Второй закон термодинамики и энтропия позволили лучше оценить энергетические возможности систем. Еще Гиббс и Гельмгольц доказали, что в данной среде, например в земной атмосфере, можно использовать только часть полной энергии системы At/, например химического топлива. Эта часть была названа «свободной энергией» — А/7. Другая же часть энергии топлива — «связанная», равная произведению температуры окружающей среды Г0 на изменение энтропии в обратимых процессах (например, в результате изменения числа молей газообразных веществ, участвующих в реакции) — AS0, то есть — QO—TO&.SQ, — переходит в тепло и рассеивается в окружающей среде. Таким образом, максимальная работа, которую способна совершить система, не может превысить величины Wmax=hU — T0kSQ=&F. Поскольку же в реальных процессах всегда имеют место потери вследствие необратимости — ТоА5н, то действительная работа всегда меньше максимальной Wn=&U — Го(Д5о+

угля составляют 87 % всех горючих ископаемых источников энергии на планете. Его энергетические возможности более чем в шесть раз превышают те же возможности нефтяных пластов. Общие же мировые запасы каменного угля, включая прогнозируемые месторождения, обладают энергетическим потенциалом, в 25 раз превосходящим нефтяной. Если предположить, что человечество откажется от всех других источников энергии и будет использовать только каменный уголь, то с учетом ежегодного роста потребления энергии (в последнее время 2—2,5 %), а также неизбежных энергетических потерь человечеству хватит угля примерно на 200 лет.

Но энергетические возможности человека по-прежнему определялись лишь мощью его мускулов и крепостью костей. Почти все три миллиона лет своей истории человек во всех действиях мог полагаться только на собственные мышцы — других источников энергии у него, по существу, не было. Несложные расчеты показывают, что

Использование мускульной силы рабов намного увеличило энергетические возможности общества, позволило сделать шаг вперед. Огромных усилий требовали работы по орошению и ирригации на всей территории Древнего Востока — в Египте, Месопотамии, Ассирии. Прокладывать каналы для орошения или отвода воды с затопляемых участков можно было^олько с помощью рабов. Уру-кагина, захвативший власть в одном из древнейших городов Ассирии — Лагаше, еще в начале третьего тысячелетия до нашей эры устраивает в своей столице запасной резервуар для воды емкостью более двухсот двадцати тысяч литров, которые использовались для орошения полей при засухах. Раскопки помогли найти действовавшую в незапамятные времена в Ассирии сложную и разветвленную систему акведуков. Навуходоносор, один из известнейших царей позднего Вавилона, с гордостью

тает, что уже к 2100 году энергетические возможности человечества будут сопоставимы с энергоотдачей одной звезды.