Структуры энергетического

Для пояснения структуры энергетических зон и энергетических процессов, протекающих в различных твердых телах, удобно использовать энергетические одномерные диаграммы ( 1.2). По вертикальной оси в таких диаграммах откладываются значения энергии электрона, отсчитываемые от уровня, принятого за нуль. По горизонтальной оси откладывается координата X кристалла твердого тела. При отсутствии в кристалле внешнего электрического поля энергия электронов не зависит от координаты X и уровни энергии будут одинаковы на всем протяжении оси X.

Способность твердого тела проводить электрический ток зависит от структуры энергетических зон и степени заполнения их электронами. Электроны могут переносить электрический заряд, совершая переходы с одного энергетического уровня на другой.

Если бы рекомбинация неравновесных электронов и дырок, вводимых в выпрямляющий электрический переход или в прилегающие к нему области при прохождении прямого тока, происходила только с излучением фотонов, то внутренний квантовый выход (отношение излученных фотонов к числу рекомбинировав-ших пар носителей) был бы равен 100%. Однако значительная часть актов рекомбинации может заканчиваться выделением энергии в виде элементарных квантов тепловых колебаний — фононов. Такие переходы электронов между энергетическими уровнями называют безызлучательными. Соотношение между излучательными и безызлучательными переходами зависит от ряда причин, в частности от структуры энергетических зон полупроводника, наличия примесей, которые могут увеличивать или уменьшать вероятность излучательных переходов. Из освоенных в настоящее время полупроводниковых материалов наилучшими с точки зрения внутреннего квантового выхода являются соединения GaAsi-^P* при х = О..Д45. Ширина запрещенной зоны этих соединений увеличивается от 1,424 при х = 0 до 1,977 эВ при х = 0,45.

В послереволюционные годы руководил строительством Шатурской ГРЭС, в 1927 —1932 гг. работал начальником Днепростроя, затем возглавлял строительство и монтаж заводов Днепровского промышленного комбината] с 1944 г. заместитель директора Энергетического института АН СССР. Занимался изучением энергетических ресурсов Советского Союза, разработкой проблем рационализации структуры энергетических систем СССР, повышения, показателей использования оборудования электростанций, обобщения опыта эксплуатации мощных энергоузлов и пр.

В условиях формирования больших систем энергетики в странах — членах СЭВ реализуется также объективная тенденция повышения эффективности использования энергетических ресурсов, выразившаяся прежде всего в перестройке структуры энергетических балансов этих стран (табл. 5-1).

На рисунке 2.3 схематично изображены структуры энергетических зон твердого тела. Из рисунка следует, что полупроводник имеет запрещенную зону ДЖ3<ЗэВ, а диэлектрик Д W3 > 3 эВ. Все металлы, включая натрий, запрещенной зоны не имеют, потому что она перекрывается валентной зоной и зоной проводимости.

полупроводника Eg, переходят из валентной зоны в зону проводимости. При изучении собственного поглощения следует учитывать особенности структуры энергетических зон полупроводника. Можно выделить два основных вида конфигурации зон. У первого из них абсолютный минимум энергии зоны проводимости с волновым вектором kmin и максимум энергии в валентной зоне kmax совпадают ( 2.1,а). Примером такого полупроводника с прямой зоной является InSb. У второго вида абсолютный минимум зоны проводимости смещен по оси к относительно вершины валентной зоны (kmin^ ?=kmax). Схематическая структура зон такой конфигурации показана на 2.1,6. К полупроводникам с непрямой зоной относится наибольшее число известных полупроводников, например Ge и Si.

Светодиоды. Если при поглощении света в полупроводнике происходит генерация неравновесных электронно-дырочных пар, то при выключении света неравновесные электроны и дырки рекомбинируют друг с другом. При этом, будет ли рекомбинация происходить с излучением квантов света или нет, зависит от структуры энергетических зон используемого полупроводника. В некоторых широкозонных полупроводниках (GaAs, GaP, SiC) минимум зоны 'проводимости расположен над максимумом валентной зоны. Переходы электронов из зоны в зону в таких полупроводниках могут быть прямыми, т. е. происходят без изменения квазиимпульса. Поэтому межзонные переходы могут осуществляться без участия фононов, вследствие чего вероятность прямых переходов велика. Отсюда следует и большая вероятность излучательной рекомбинации носителей тока. 6—169 81

Влияние деформации на электрофизические параметры полупроводников. При деформации полупроводника происходит изменение расстояния между атомами, что приводит к изменению структуры энергетических зон, т. е. изменяются значения энергий дна зоны проводимости Ес и вершины валентной зоны Ev, а также вследствие изменения формы изоэнергетических поверхностей изменяются значения Nc и Nv.

т. е. выражение (2.8) действительно соответствует уравнению для второго закона Ньютона. Таким образом, на основании структуры энергетических зон (функции S'(k)), введя величину т* согласно (2.10) и используя уравнение (2.9), можно судить о движении электрона в кристалле. Величина т* называется эффективной массой электрона в кристалле.

В предыдущем параграфе мы выяснили, что в совершенных кристаллах с идеальной периодической решеткой специфика структуры энергетических зон определяет различные характерные свойства веществ. Однако у реальных кристаллов решетка не идеальна, а имеет различные кристаллические дефекты. Поэтому во многих случаях электрические и оптические свойства полупроводниковых материалов имеют отклонения от таковых для идеальных кристаллов. При изготовлении полупроводниковых приборов, например транзисторов, этими отклонениями от совершенного кристалла (кристаллическими несовершенства-

СТРУКТУРЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Предстоящая столь крупная перестройка структуры энергетического баланса сама по себе не является чем-то качественно новым для советской энергетики. Действительно, на первом этапе ее развития шел достаточно быстрый процесс замещения углем низкокачественных местных видов топлива, а на втором этапе уголь бурно замещался нефтью и природным газом. Как видно из 1.2, относительная глубина структурных преобразований энергетического баланса на первых двух этапах развития энергетики по меньшей мере не уступала глубине намечаемых сдвигов. Однако предстоящие сдвиги характеризуются существенно более крупными абсолютными размерами, что усугубляется ожидаемой стабилизацией уровней добычи двух крупнейших энергоресурсов — нефти и угля. Главное в прошлых перестройках — замещение одних энергоресурсов другими — сопровождалось снижением требований энергетики к народному хозяйству с точки зрения как капиталовложений, так и трудовых ресурсов. В отличие от этого предстоящая перестройка сопровождается значительным увеличением требований ЭК к народному хозяйству и поэтому связана с особыми трудностями.

4.1. Основные задачи и смысл перестройки отраслевой структуры энергетического комплекса............. —

В то же время масштабность систем энергетики и наличие сильных связей с другими народнохозяйственными комплексами и отраслями промышленности, обеспечивающими развитие энергетики (прежде всего энергомашиностроительной и электротехнической), определяют такое свойство систем энергетики, как инерционность, во временном разрезе характеризующуюся величиной порядка 6—8 (иногда до 10) лет, т. е. периодом от момента принятия решения об изменении направления развития этих систем или об использовании принципиально новых технических средств до начала реализации такого решения. Понимание объективной необходимости наличия «лага времени» и невозможности быстрой перестройки структуры энергетического баланса отдельных стрян и мира в целом особенно важно в современных условиях, когда энергетика мира вступила в переходный период своего развития (см. главу 6).

перестройка структуры энергетического баланса в направлении все большего использования энергетических ресуров, в единице которых заключена более концентрированная энергия. Действие этой тенденции определяет основные этапы развития энергетики мира и промышленно развитых стран. При этом укрупненно можно выделить такие характерные этапы (табл. 1-3, 1-2).

Своеобразие ситуации в нефтеснабжающей системе Западной Европы заключалось в том, что при практическом отсутствии собственных ресурсов нефти тем не менее наблюдался чрезвычайно быстрый рост ее потребления — в 4,3 раза за десятилетие 1950—1960 гг. и в 3,4 раза в следующее десятилетие. В результате уже в 1970 г. объем потребления нефти в западноевропейских странах достиг 610 млн. т, т. е. даже несколько превысил уровень США. Этот процесс сопровождался резкой перестройкой структуры энергетического баланса в регионе. Если в 1950 г. на долю нефти 'приходилось лишь 13%, то в 1960 г. уже 28%, а к 1975 г. — более половины в суммарном потреблении энергетических ресурсов.

Столь высокие темпы вовлечения жидкого топлива в энергетический баланс западноевропейских стран и соответственно увеличения зависимости от его импорта были в значительной мере следствием отсутствия (в отличие от США) собственных богатых ресурсов природного газа; существенную роль играла и политика крупнейших нефтяных мо-нополий. После начала эксплуатации в 50-х гг. богатейших месторождений нефти в странах Ближнего и Среднего Востока Международный нефтяной картель в целях завоевания рынков сбыта, прежде всего в западноевропейских странах, установил справочные цены на импортируемую арабскую нефть на уровне 14—15 долл./т (9,5—10 долл./т у. т.). Этот уровень цен обеспечил возможность получения мазута на нефтеперерабатывающих заводах в Западной Европе по цене 13—14 долл./т у. т., т. е. примерно равной ценам угля местной добычи. Такое соотношение цен привело к «подавлению» угольной промышленности в регионе (см. раздел 3-3) и активному замещению угля нефтью в энергетическом балансе. В то же время для получения высоких прибылей от продажи нефтепродуктов монополии реализовывали светлые нефтепродукты по повышенным ценам. Так, например, розничные цены на бензин в Западной Европе составляли в 1955 г. в среднем 17—18 цент./л, в то время как в США находились на уровне 8—9 цент./л. Процессу изменения структуры энергетического баланса способствовала и перестройка нефтеперерабатывающей промышленности в западноевропейских странах, которая находилась в основном в руках Международного нефтяного картеля. В целях максимального получения нефтепродуктов, способных конкурировать с углем, т. е. мазута

баланса (в основном первая половина века) уголь широко использовался всеми стационарными потребителями топлива и энергии. Затем, с некоторым отступлением во времени, начался процесс замены как в США, так и в Западной Европе угля нефтепродуктами и газом, происходивший с нарастающей интенсивностью путем охвата в Западной Европе системами неф-теснабжения, а в США системами нефте- и газоснабжения относительно мелких потребителей топлива. Такое изменение структуры энергетического баланса носило в целом объективный характер: чем мельче потребитель, тем эффективнее использование у него более высококачественного топлива. Падение доли угля в суммарном расходе энергетических ресурсов в развитых капиталистических странах сопровождалось специализацией углеснабжающих систем преимущественно на снабжении топливом таких крупных потребителей, как электростанции, и таких специфичексих потребителей, как черная металлургия, расходующая уголь преимущественно на цели коксования.

Рассмотренная ситуация связана в первую очередь с особенностями ресурсной базы этих стран. Цифры табл. 5-2 свидетельствуют о том, что в связи с ограниченностью выявленных на сегодня запасов углеводородного топлива в европейских странах— членах СЭВ добыча нефти здесь не превышает 18 млн. т, а природного газа достигла примерно 55 млрд. м3. Понятно поэтому, что возможность перестройки структуры энергетического баланса была непосредственно связана с поставками в социалистические страны нефти и природного газа из СССР, активизировавшимися именно с конца 60-х гг. (см. табл. 5-4).

В рассмотренных условиях для оценки перспектив участия стран — членов СЭВ (включая СССР) в международном обмене энергетическими ресурсами, видимо, возможно в качестве рабочей гипотезы: а) рассматривать общеэнергетические системы этих стран как в значительной мере интегрированный комплекс и б) принять условно для европейских районов СССР и европейских стран — членов СЭВ аналогичными темпы роста потребления энергетических ресурсов, а также основные направления изменения структуры энергетического баланса.

развитые капиталистические страны. Объясняется это, во-первых, возможностью в условиях плановой экономики целенаправленного и согласованного проведения необходимых долгосрочных мероприятий; во-вторых, возможностью использования в ближайшие десятилетия богатых ресурсов природного газа в СССР для плавной перестройки структуры энергетического баланса в направлении вовлечения ресурсов неорганического топлива.