Избыточные электроны

донорных примесей образуют избыточный положительный объемный заряд. Величина этого заряда (и, конечно, концентрация свободных электронов) в нормальных условиях практически не зависит от температуры, а всецело определяется дозой примеси.

ния (рис 14 5 а) ротор двигателя тормозится, угол в и электромагнитный момент увеличиваются. Запас кинетической энергии вращающихся масс уменьшается. Если бы вращающиеся массы не обладали моментом инерции, то переход к новому установившемуся режиму, характеризуемому углом 02, произошел бы мгновенно. Но вследствие инерции ротор вращается некоторое время с замедленной частотой. В момент времени h ( 14.5,6) электромагнитный момент возрастает от М, до значения М2, соответствующего углу 02 Однако частота вращения ротора в этот момент меньше синхронной, скольжение s максимальное, угол в увеличивается и соответственно увеличивается электромагнитный момент. Под влиянием избыточного положительного момента частота вращения увеличивается. В момент 4 частота вращения ротора равна синхронной (s = 0) электромагнитный момент равен М3, угол 0 и избыточный положительный момент максимальны. Из-за избыточного электромагнитного момента частота вращения ротора увеличивается выше синхронной (скольжение s < 0), угол в уменьшается. В момент времени ?, в = 02, электромагнитный момент ЛЬ = Л1С2> избыточный момент равен нулю, но & > оц и угол 0 продолжает уменьшаться. Если бы на ротор не действовали успокаивающие силы, то угол 0 снизился бы до 0! и в дальнейшем ротор продолжал бы вращаться с колеблющейся частотой бесконечно долго. В СМ

Если проводник (металлическую пластину) поместить в электрическое поле ( 1-16), то под действием сил поля свободные электроны металлической пластины начнут перемещаться в направлении, противоположном направлению электрических линий, отчего на одной поверхности пластины возникнет избыточный отрицательный заряд, на другой — избыточный положительный и в проводящей пластине создается добавочное электрическое поле, направленное навстречу основному полю. Результирующее поле в пластине ослабнет, т. е. уменьшится сила, действующая на свободные электроны и вызывающая их перераспределение. Разделение зарядов в пластине прекратится, когда напряженность результирующего поля внутри пластины окажется равной нулю.

В проводе А Б под действием сторонних сил электроны лереместятся на конец Б (рис, 2-4), образуя избыточный отрицательный заряд —Q. Этот зажим генератора обозначается знаком «—». На другом конце провода А возникает избыточный положительный заряд +Q. Соответственно зажим обозначается знаком «+». Внутри провода образуется электрическое поле зарядов +Q и —Q и на каждый электрон, кроме сторонней силы, действует еще электростатическая сила электрического поля F, направленная противоположно FCT-

В растворе часть молекул серной кислоты распадается на положительные (2Н) и отрицательные (SO4) ионы. Катод, опущенный в электролит, под действием химических сил частично растворяется в электролите. Положительные ионы цинка переходят в раствор и соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка (SO4), образуя нейтральные молекулы цинкового купороса (ZnSO4). Оставшиеся от молекул цинка свободные электроны создают избыточный отрицательный заряд на катоде, а в электролите, наоборот, образуется избыточный положительный заряд ввиду нейтрализации части отрицательных ионов.

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).

Канал стримера является проводящим и имеет около головки избыточный положительный заряд от вторичных лавин. Поэтому он представляет собой как бы выступ на поверхности анода, напряженность электрического поля около которого сильно возрастает по сравнению со средней. Это способствует образованию новых электронных лавин, развивающихся по направлению к головке стримера. Новые лавины превращают избыточный объемный заряд в плазму, и канал стримера удлиняется ( 2-7, г). Постепенно распространяясь от анода к катоду, стример .перекрывает весь промежуток, и происходит пробой, т. е. между электродами образуется сквозной проводящий канал (рис, 2-7, д),

Появление поперечного поля по сечению разряда обусловлено разными скоростями электронов и ионов, уходящих из плазмы разряда к окружающим ее стенкам. Так, рассматривая элементарный кольцевой объем в плазме с внутренним радиусом г и толщиной dr, симметричный по отношению к оси разрядного канала, можно видеть, что ь процессе установления режима число уходящих из объема электронов несколько превышает число уходящих из него ионов вследствие большой скорости электронов. В результате в объеме возникает создаваемый ионами небольшой избыточный положительный заряд. Возникающее при этом поперечное поле тормозит в последующем движение электронов и ускоряет движение ионов. Это приводит к тому,

чем ионы. Электроны начинают ионизировать молекулы газа при достижении скорости свыше 1000 км/с. При достаточной напряженности электрического поля ударную ионизацию могут производить и ионы. Для завершения пробоя воздуха, проявляющегося внешне в виде искры, проскакивающей между электродами, необходимо, чтобы процесс увеличения количества свободных зарядов в данном искровом промежутке привел к достаточной плотности свободныхзарядов. Это достигается благодаря некоторым вторичным явлениям, сопутствующим ударной ионизации, например вследствие выхода дополнительных свободных электронов из катода под воздействием фотонов, излучаемых атомами газа, возбудившимися под влиянием соударений с электронами. Имеет место также фотоионизация молекул газа. Современные представления о механизме пробоя воздуха, началом которого является ударная ионизация, связывают его завершение с неравномерным распределением зарядов в промежутке между электродами. Большое значение имеет тот факт, что в зоне ионизации вследствие большей подвижности электронов по сравнению с ионами всегда возникает положительный пространственный заряд: электроны быстрей покидают зону ионизации, а ионы «оседают» в ней. При формировании искрового разряда после прохождения первой лавины электронов за ней остается положительный пространственный заряд, в который втягиваются электроны вторичных (дочерних) лавин, что приводит к образованию плазмы, состоящей в основном из ионов и электронов. Головка канала плазмы, имеющей избыточный положительный заряд, передвигается к катоду. Когда эта головка :—• так называемый стример — подходит к катоду, напряженность в этом месте поля резко возрастает, усиливая ионизацию. Образующаяся при этом масса новых свободных электронов устремляется по каналу плазмы к аноду.

Процесс образования пары «электрон проводимости — дырка проводимости» называется генерацией пары носителей заряда (1 на 16.6). Можно сказать, что собственная электропроводность полупроводника — это электропроводность, вызванная генерацией пар «электрон проводимости — дырка проводимости». Образовавшиеся электронно-дырочные пары могут исчезнуть, если дырка заполняется электроном: электрон станет несвободным и потеряет возможность перемещения, а избыточный положительный заряд иона атома окажется нейтрализованным. При этом одновременно исчезают и дырка, и электрон. Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией (2 на 16.6). Рекомбинацию в соответствии с зонной теорией можно рассматривать как переход электронов из зоны проводимости на свободные места в валентную зону. Отметим, что переход электронов с более высокого энергетического уровня на более низкий сопровождается высвобождением энергии, которая либо излучается в виде квантов света (фотоны), либо передается кристаллической решетке в виде тепловых колебаний (фононы).

Возникновение положительного заряда ионов можно объяснить следующим образом. Ионизирующее излучение вызывает образование электронно-дырочных пар в слое диэлектрика. Если к затвору приложено положительное относительно подложки напряжение, то в первую очередь из-за большой подвижности электроны будут перемещаться полем к затвору. Дырки захватываются дырочными ловушками или рекомбинируют с электронами до выхода из оксида. В результате в диэлектрике SiO2 формируется избыточный положительный заряд. Образующийся заряд Q при фиксированном потенциале затвора уменьшает напряженность поля в оксиде, что приводит к насыщению заряда Q при росте D. Объемный заряд расположен внутри оксида на расстоянии нескольких десятков нанометров от границы раздела кремний — диэлектрик. Значение объемного заряда определяется не только поглощенной дозой облучения, но и значением и полярностью напряжения на затворе в процессе облучения. Наблюдаемая при этом линейная зависимость наведенного заряда от t/зи связана с тем, что все приложенное к затвору напряжение падает на слое объемного заряда, создающегося в оксиде во время облучения, а не на всем слое оксида.

Рассмотрим случай, когда внешняя работа выхода' для металла больше этой же работы для полупроводника. При этом поток электронов из полупроводника в металл будет превышать обратный поток, так как при выходе из полупроводника электроны преодолевают меньший потенциальный барьер, чем при выходе из металла. В результате число электронов, перешедших в металл, будет превышать число электронов, перешедших в полупроводник. Эти избыточные электроны образуют в металле отрицательный заряд, препятствующий переходу электронов из полупроводника в металл. Слой, в котором расп9лагаются эти заряды, называется запирающим. Одновременно в приконтактной области полупроводника образуется положительный заряд, состоящий из ионов атомов полупроводника и обусловленный переходом части электронов в металл.

систему ковалентных связей, пятый же электрон атома мышьяка оказывается избыточным. Энергетический уровень примеси ?д (донорный уровень) лежит в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Поэтому уже при комнатной температуре избыточные электроны приобретают энергию, равную очень небольшой энергии их связи с атомами примеси (А?д = Ес — ЕЛ), и переходят в зону проводимости. Эти избыточные электроны могут теперь участвовать в электропроводности полупроводника. В узлах же кристаллической решетки германия, занимаемых атомами примеси, образуются положительно заряженные ионы (на 1.2, б показаны три таких положительных иона в виде прямоугольников). Если высвободившиеся избыточные электроны совершают хаотическое движение вблизи своих ионов, то микрообъем остается электронейтральным. При уходе электронов в более удаленные объемы оставшиеся ионы создают в микрообъеме кристалла положительный объемный заряд.

Если в кристаллическую решетку германия или кремния добавить в качестве примеси пятивалентное вещество, атомы которого имеют по пять валентных электронов (например, мышьяк, сурьма, фосфор), то атомы примеси займут соответствующие места в узлах кристаллической решетки германия или кремния. В этом случае четыре валентных электрона каждого атома примеси войдут в ковалент-ные связи с соседними атомами германия или кремния ( 3.5, а), а пятые валентные электроны будут очень слабо связаны с атомами. Более слабая связь этих электронов с атомами соответствует более высоким энергетическим уровням, называемым локальными уровнями примеси. Под действием тепловой энергии или внешнего электрического поля эти электроны легко переходят с локальных уровней в зону проводимости и создают электронную электропроводность полупроводника, или электропроводность типа п. Атомы примеси, дающие «избыточные» электроны кристаллу основного вещества, называются донорами.

В режиме насыщения оба перехода открыты. Падения напряжений на открытых эмиттерном и коллекторном переходах направлены встречно, однако ток в цепи эмиттер — коллектор проходит в одном направлении, например от коллектора к эмиттеру в транзисторе л-р-л-типа ( 31, а). Транзистор работает в режиме насыщения при относительно больших токах базы. Инжекции электронов в базу при этом становится столь сильной, что цепь коллектора оказывается не способной извлекать избыточные электроны из базы так же эффективно, как в активном режиме. Концентрация электронов в базе у коллекторного перехода, становится сравнимой с концентрацией их у эмиттерного перехода ( 31, б), что соответствует прямой полярности напряжения на коллекторном переходе. Вывести транзистор из режима насыщения при заданном токе базы можно, увеличив ток коллектора изменением режима работы его внешней цепи, например уменьшив внешнее сопротивление в его цепи при неизменном напряжении питания.

При контакте полупроводников в пограничной области происходит рекомбинация электронов и дырок. Так как концентрация электронов в л-области больше, чем в р-области, то часть электронов диффундирует из л-области в р-область. При этом в р-области, у границы раздела, окажутся избыточные электроны, которые будут занимать вакантные ковалентные связи. Соответ-

Принцип работы транзистора зависит от способа его включения. Одним из режимов работы транзистора являются прямое включение инжекторного перехода рг —% и отсутствие внешнего смещения на коллекторном переходе. Прямо смещенный инжекторный переход инжектирует дырки в область эмиттера п^\ электронейтральность этой области восстанавливается электронами, поступающими из омического контакта. Избыточные электроны и дырки, попадая вследствие диффузии в область объемного заряда на эмит-терном переходе, частично его компенсируют, в результате чего возникает слабое прямое смещение эмиттерного перехода. Через прямо смещенный эмиттерный переход происходит инжекция электронов в базу ра и вследствие механизма, аналогичного тому, который имеет место в эмиттерном переходе, коллекторный переход также смещается в прямом направлении. При этом транзистор Т2 переходит в режим насыщения и на коллекторе транзистора будет потенциал низкого уровня (логического нуля). Если базу рг закоротить с эмиттером (подать нулевой потенциал), то инжекции через эмиттерный переход не будет, а коллекторный переход транзистора Т2 останется закрытым. В этом случае выходное сопротивление транзистора возрастет, а потенциал на его коллекторе будет определяться только нагрузкой следующего каскада.

Участок начального подъема статической характеристики при введении напряжения смещения Ucz исключается, и тем самым предупреждается паразитный пробой. Абсцисса, отвечающая максимуму статической характеристики, определяет собой максимально допустимое значение напряжения смещения. Верхний предел для этого напряжения определяется потенциалом плазменного катода, который на 5—10 В должен превышать напряжение смещения для того, чтобы отрицательное поле между сеткой и плазмой подготовительного разряда могло затормозить избыточные электроны на их пути к вхождению в отверстие сетки С2.

В процессе деионизации наряду с уходом к стенкам в одинаковых количествах ионов и электронов, превращающихся в нейтральные атомы либо молекулы газа, из ионной оболочки под действием отрицательного поля уходят к аноду ионы и под действием положительного потенциала катода к нему приходят из плазмы избыточные электроны.

При легировании предварительно очищенного германия примесью пятивалентного элемента (например, мышьяка) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы германия. При этом четыре валентных электрона атома мышьяка, объединившись с четырьмя электронами соседних атомов германия, образуют систему ковалентных связей ( 3.3 а), пятый же электрон оказывается избыточным. Уже при комнатной температуре избыточные электроны приобретают энергию, равную очень небольшой энергии их связи с атомами примеси, и переходят в зону проводимости. Таким образом, в узлах кристаллической решетки германия, занимаемых атомами примеси, образуются неподвижные положительно заряженные ионы, а в объеме кристалла перемещаются избыточные электроны, имеющие энергию зоны проводимости. Если освободившиеся электроны находятся вблизи своих ионов, то микрообъем в целом остается электронейтральным. При уходе электронов из микрообъема в нем образуется положительный объемный заряд. Число электронов в кристалле при внесении пятивалентной примеси превышает число дырок, концентрация которых при внесении примеси не изменилась, и по-прежнему определяется собственной электропроводностью полупроводника. Такой полупроводник обладает в основном электронной электропроводностью, или электропроводностью n-типа (полупроводник n-типа). Примесь, способную отдавать электроны, называют донорной. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки.

При отрицательном заряде металлического тела внутри него у поверхности в крайне тонком (молекулярном) слое располагаются избыточные электроны. При положительном заряде в таком же поверхностном слое из-за электронной недостаточности обнаруживается действие избытка положительно заряженных частиц.

Если к двум погруженным в электролит пластинам подвести разность потенциалов, то под влиянием электрического поля ионы начнут перемещаться: катионы — к отрицательно заряженной и анионы — к положительно заряженной пластине. От отрицательно заряженного электрода катионы получат недостающие им электроны и будут осаждаться на электроде в виде металла. Анионы же отдадут положительно заряженному электроду свои избыточные электроны, которые затем перейдут во внешнюю металлическую цепь и будут перемещаться в ней к катоду; лишенные за-