Материал: Chast3giper

4. Способи одержання р-n-переходів

Сплавні p-n-переходи одержують шляхом розплавлення на поверхні n-германію індію (In), тривалентного елементу, який являється в германії акцепторною домішкою.

При нагріванні до 550^оС в нейтральній атмосфері водню, або аргону індій плавиться і розчиняє частину германію. Після охолодження утворюється рекристалізований шар р-Ge (рис.7.12)

Дифузійні p-n-переходи формуються шляхом перекомпенсації n-кремнію в р-кремній за рахунок дифузії при температурі 1200^оС в поверхневий шар акцепторної домішки бора (В), наприклад, із парів борної кислоти Н₃ВО₃ . Створюючи на поверхні пластини захисну маску із двоокису кремнію SiO₂ , формують p-n-переходи в певних місцях. (рис.7.13). Це планарна технологія виготовлення інтегральних мікросхем. Глибина залягання переходу залежить від температури і часу дифузійного процесу.

Епітаксіальні p-n-переходи утворюються в процесі епітаксіального нарощування на напівпровідникову підкладку шару напівпровідника. Наприклад, кремнію із газової фази моносілану (SiH₄). Додаючи в камеру елементи донорної чи акцепторної домішки, можна формувати баготошарову структуру р- і n-областей (сендвіч).

Метод іонної імплантації – легування напівпровідника шляхом бомбардування прискореними іонами відповідної домішки (іонним пучком).

4. Принцип роботи біполярного транзистора

Транзистор був винайдений у 1948 році американськими фізиками Дж.Бардіним і У.Браттейном і уявляє собою трьохелектродний напівпровідниковій прилад з двома p-n-переходами (рис.7.14): емітерним і колекторним.

На рис.7.14, а) приведене ввімкнення транзистора n-p-n типу, а на рис.7.14, б) – p-n-p типу по схемі із загальною базою. Емітерний перехід батареєю V_е зміщується в прямому напрямку. Тому електричний опір емітерного кола невеликий, а отже згідно з законом Ома навіть при малій напрузі вхідного сигналу V_вх через емітерний перехід протікає значний струм. Основні носії заряду із емітера інжектуються (уприскуються) в базу, де вони являються неосновними носіями заряду.

Колектрний перехід батареєю V_к зміщується в зворотному напрямку. Опір колекторного контуру великий, що дає можливість вмикати в нього великий опір навантаження R_н, з якого і знімається вихідна напруга V_вих.

На рис.7.15 показана зонна діаграма n-p-n транзистора. Електрони із емітерної області, долаючи зменшений потенціальний бар’єр, інжектуються в базу, де частково рекомбінують, викликаючи протікання незначного базового струму. Але конструктивно базову область формують тонкою (10÷200 мкм), а тому більшість електронів не встигають рекомбінувати і досягають колекторного переходу. Тут для них потенціальний бар’єр відсутній. Більш того, контактне і зовнішнє електричні поля прискорюють їх перехід в колекторну область, як би витягують із бази. У колекторі електрони являються основними носіями, і тому ймовірність їх рекомбінації з неосновними (дірками) мала, оскільки концентрація дірок невелика. В колекторному контурі протікає струм I_к = I_е – I_б. Але струм бази набагато менший, ніж струм емітера, тому можна вважати, що I_к ≈ I_е. Таким чином, транзистор дав можливість примусити протікати по високоомному колекторному колу приблизно такий же струм, як і по низькоомному емітерному колу. У відповідності із законом Ома V_вх = I_еR_вх; V_вих = I_кR_н. А так як R_н >> R_вх і I_к ≈ I_е , V_вих >> V_вх. Одержали підсилення напруги, яке характеризується коефіцієнтом підсилення k_V = V_вих / V_вх >>1. Схема із загальною базою дає також підсилення потужності, що характеризується коефіцієнтом

. (7.12)

Підсилення струму ця схема не дає.

С хема ввімкнення транзистора з загальним емітером (рис.7.16, а) дає підсилення напруги, струму і потужності, а ввімкнення з загальним колектором (емітерний повторювач) (рис.7.16, б) використовується для узгодження каскадів електричних схем по вхідному і вихідному опорам, так як для неї характерне співвідношення R_вх >> R_вих.

7. Магнітні властивості твердих тіл

1. Магнітне поле в магнетиках. Діа- пара- і феромагнетики та їх властивості

Магнітні властивості речовин характеризуються відносною магнітною проникністю

, (8.1)

яка показує відношення індукції магнітного поля в речовині до індукції магнітного поля у вакуумі (повітрі).

Добавка до індукції, яка створюється речовиною, називається намагніченістю

, (8.2)

де Н – напруженість магнітного поля, μ_о=4π10^-7 Гн/м- магнітна стала, називається магнітною сприйнятливістю - це відношення намагніченості до індукції поля у вакуумі (повітрі).

В залежності від значень вказаних характеристик усі речовини поділяються на три групи: діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики.

У діамагнетиків μ ≈ 0,99999 < 1, а χ ≈ -10^-5 < 0. Магнітне поле у діамагнетиках послаблюється. Магнітна проникність і магнітна сприйнятливість не залежать від напруженості магнітного поля Н (рис.8.1, а). До діамагнетиків відносяться, наприклад, мідь, германій, кремній, вісмут.

У парамагнетиків μ ≈ 1,0001 > 1, а χ ≈ 10^-4 > 0, тобто магнітне поле незначно підсилюється. Магнітна проникність і магнітна сприйнятливість також не залежать від напруженості магнітного поля Н, але тільки у відносно слабих полях і при високих температурах. В сильних полях і при низьких температурах намагніченість асимптотично наближається до насичення J_s (рис.8.1, б). Крім того, у парамагнетиків χ обернено пропорційно залежить від температури по закону Кюрі

, (8.3)

д е С – стала Кюрі визначається природою парамагнетика. До парамагнетиків відносяться Pt, FeCl₂, CaO, NiSO₄.

У феромагнетиків μ >> 1 і χ >> 1, тобто магнітне поле значно підсилюється. Залежність магнітної проникності і магнітної сприйнятливості від напруженості магнітного поля складніша, ніж у парамагнетиків (рис.8.2).

Із збільшенням намагнічуючого поля Н індукція В (рис.8.2, а) і намагніченість J_m (рис. 8.2, б) зростають спочатку швидко, а потім зростання сповільнюється, а починаючи деякого значення Н_s намагніченість практично досягає граничного значення насичення J_s. Магнітна сприйнятливість при цьому наближається до 0. Ретельне вивчення кривої намагнічування показує, що вона має стрибкоподібний характер (рис.8.2, б). Це явище називається ефектом Баркгаузена, який вперше виявив таку закономірність.

На рис.8.3 приведена крива повного циклу перемагнічування феромагнетика (петля гістерезису). Видно, що зміна В відстає від зміни Н. Це явище називається гістерезисом. При Н = 0 В = В_зал – це залишкова намагніченість. Для її знищення необхідно прикласти розмагнічуюче (протилежне за напрямком) магнітне поле Н_к, напруженість якого називається коерцетивною силою. Площа петлі гістерезису пропорційна роботі перемагнічування одиниці об’єму феромагнетика, яка перетворюється в тепло. Матеріали з вузькою петлею гістерезису називаються магнітом’якими, а з широкою – магнітожорсткими. Наприклад, для сплаву магніко (від магнит, нікель і кобальт), який використовується для виготовлення постійних магнітів, Н_к ≈ 510⁵ А/м, В_зал ≈ 1,35 Тл.

При нагріванні феромагнетиків їхні магнітні властивості змінюються (рис.8.4). До деякої, характерної для кожного матеріалу, температури θ_к магнітна сприйнятливість не залежить від температури, а потім різко зменшується, і феромагнетик перетворюється в парамагнетик. Має місце фазовий перехід другого роду. Подальша зміна χ відбувається по закону Кюрі-Вейса

, (8.4)

де θ – парамагнітна температура дещо вища за температуру Кюрі θ_к.

Намагнічування феромагнітних тіл супроводжується зміною геометричних розмірів. Це явище називається магнітострикцією і лежить в основі дії генераторів ультразвукових коливань.

Типовими феромагнетиками є залізо, кобальт, нікель.

З’ясуємо природу цих магнітних властивостей.

2. Магнітні властивості атомів. Гіромагнітні відношення

Згідно з теорією атома Бора (вона для пояснення магнітних властивостей атома дає достатнє наближення) електрон в атомі рухається по круговій орбіті утворюючи замкнутий орбітальний струм

( – частота обертання електрона на орбіті, υ – лінійна швидкість, r – радіус орбіти, q –заряд електрона). Орбітальній магнітний момент цього струму . - площа орбіти. Одержуємо

. (8.5)

Вектор цього орбітального моменту направлений перпендикулярно до площини орбіти (рис.8.5) у відповідності з правилом правого гвинта.

Механічний орбітальний момент імпульсу (кількості руху) електрона

(8.6)

направлений проти вектора . Відношення магнітного моменту до механічного

(8.7)

називається гіромагнітним відношенням у даному випадку орбітальним. Видно, що воно не залежить від радіуса орбіти і швидкості електрона, тобто однакове для будь-якої орбіти.

По квантовій теорії атома орбітальний механічний момент електрона і його проекція на напрямок магнітного поля Н змінюються дискретно (квантуються)

, . (8.8)

- орбітальне і магнітне квантові числа відповідно.

Із (8.7) і (8.8) одержуємо

, (8.9)

. (8.10)

Тут магнетон Бора - найменше значення магнітного моменту атома, або „квант” магнітного моменту. Ця величина прийнята за одиницю вимірювання магнітного моменту в атомних системах.