Файл: Демирчян, Нейман, Коровкин, Чечурин. Теоретические основы электротехники.т.2.2003.pdf

ìè ýëåìåíòàìè ÿâëÿþòñÿ, íàïðèìåð, ëàìïû íàêàëèâàíèÿ, îáëàäàþùèå çíà÷è-

òåëüíîé òåïëîâîé èíåðöèåé. Ïðè èçìåíåíèè òîêà â ëàìïå ñ äîñòàòî÷íî áîëüøîé

÷àñòîòîé, íàïðèìåð ñ ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòîé

f

=

50 Ãö, òåìïåðàòóðà íèòè ëàì-

ïû ïðàêòè÷åñêè íå èçìåíÿåòñÿ â òå÷åíèå ïåðèîäà, à ñîîòâåòñòâåííî, è ñîïðîòèâ-

ëåíèå ëàìïû îñòàåòñÿ ïðàêòè÷åñêè íåèçìåííûì â òå÷åíèå ïåðèîäà. Ïîýòîìó

ëàìïà ïðè íåèçìåííîì äåéñòâóþùåì ïåðèîäè÷åñêîì ïåðåìåííîì òîêå ïî îòíî-

øåíèþ ê ìãíîâåííîìó òîêó îêàçûâàåòñÿ ëèíåéíûì ýëåìåíòîì. Ôîðìà êðèâîé

òîêà â ëàìïå ïîâòîðÿåò ôîðìó êðèâîé íàïðÿæåíèÿ íà íåé; â ÷àñòíîñòè, ïðè ñè-

íóñîèäàëüíîì íàïðÿæåíèè è òîê â ëàìïå îêàçûâàåòñÿ ñèíóñîèäàëüíûì. Îäíàêî

ïðè èçìåíåíèè äåéñòâóþùåãî ïåðåìåííîãî òîêà

I

â ëàìïå òåìïåðàòóðà íèòè íà-

êàëà è åå ñîïðîòèâëåíèå èçìåíÿþòñÿ è, ñîîòâåòñòâåííî, õàðàêòåðèñòèêà ëàìïû

U

=

F

(

I

), ñâÿçûâàþùàÿ äåéñòâóþùèå òîê è íàïðÿæåíèå, îêàçûâàåòñÿ íåëèíåé-

íîé (ñì. ðèñ. 19.3).

Íàðÿäó ñ èíåðöèîííûìè ýëåìåíòàìè ìû ðàñïîëàãàåì íåëèíåéíûìè ýëåìåí-

òàìè, êîòîðûå ïðè íå ñëèøêîì âûñîêèõ ÷àñòîòàõ ìîãóò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê

áå-

çûíåðöèîííûå.

Ê íèì îòíîñÿòñÿ ïðåæäå âñåãî ýëåêòðîííûå ëàìïû, òàê êàê èíåð-

öèÿ ýëåêòðîíîâ, îáðàçóþùèõ â íèõ òîê, âåñüìà ìàëà. Òàêèå ýëåìåíòû ÿâëÿþòñÿ

íåëèíåéíûìè êàê â îòíîøåíèè äåéñòâóþùèõ, òàê è â îòíîøåíèè ìãíîâåííûõ

òîêà è íàïðÿæåíèÿ. Ïðè ïåðèîäè÷åñêèõ ïðîöåññàõ êðèâûå òîêà è íàïðÿæåíèÿ

â ýòèõ ýëåìåíòàõ èìåþò ðàçëè÷íûå ôîðìû; íàïðèìåð, ïðè ñèíóñîèäàëüíîì íà-

ïðÿæåíèè òîê îêàçûâàåòñÿ íåñèíóñîèäàëüíûì è, íàîáîðîò, ïðè ñèíóñîèäàëüíîì

òîêå íàïðÿæåíèå íåñèíóñîèäàëüíî. Ïî ýòîé ïðè÷èíå íåëèíåéíàÿ õàðàêòåðèñòè-

êà

U

=

F

(

I

), ñâÿçûâàþùàÿ äåéñòâóþùèå òîê è íàïðÿæåíèå, â òàêèõ ýëåìåíòàõ çà-

âèñèò îò ôîðìû êðèâûõ ìãíîâåííûõ òîêà è íàïðÿæåíèÿ.

Ðàññìàòðèâàÿ ñâÿçü ìåæäó ìãíîâåííûìè ïåðåìåííûì òîêîì è ïåðåìåííûì

íàïðÿæåíèåì â òàêèõ ýëåìåíòàõ, åñòåñòâåííî ïîëüçîâàòüñÿ

äèíàìè÷åñêèìè

ñî-

ïðîòèâëåíèåì è ïðîâîäèìîñòüþ:

r

du

di

g

di

du

ä

ä

è

=

=

,

ïðè÷åì

r

ä

è

g

ä

ÿâëÿþòñÿ ôóíêöèÿìè òîêà

i

è, ñîîòâåòñòâåííî, íàïðÿæåíèÿ

u.

Ðàññìàòðèâàÿ æå ñâÿçü ìåæäó äåéñòâóþùèìè òîêîì è íàïðÿæåíèåì, ìîæíî

èñïîëüçîâàòü çíà÷åíèÿ

ýêâèâàëåíòíûõ

àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ è àêòèâíîé

ïðîâîäèìîñòè ýëåìåíòà, ðàâíûå

r

U

I

g

I

U

ý

ý

è

=

=

,

ïîñêîëüêó â ðàññìàòðèâàåìûõ ýëåìåíòàõ ïðåíåáðåãàåì èõ èíäóêòèâíîñòüþ è åì-

êîñòüþ.

19.5. Õàðàêòåðèñòèêè ýëåìåíòîâ ñ íåëèíåéíûì ñîïðîòèâëåíèåì,

ïîçâîëÿþùèå îñóùåñòâèòü ñòàáèëèçàöèþ òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ

Íà ðèñ. 19.13 èçîáðàæåíà õàðàêòåðèñòèêà

áàðåòòåðà

, ïðåäñòàâëÿþùåãî ñîáîé

çàïàÿííûé è çàïîëíåííûé âîäîðîäîì ñòåêëÿííûé áàëëîí, âíóòðè êîòîðîãî ïî-

ìåùåíà æåëåçíàÿ íèòü, ïðèñîåäèíåííàÿ ê âûâîäàì èç áàëëîíà. Èçìåíåíèå òåì-

Ãëàâà 19. Ýëåìåíòû íåëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé, èõ õàðàêòåðèñòèêè è ïàðàìåòðû

333

ïåðàòóðû íèòè ïðè èçìåíåíèè òîêà â íåé, à òàêæå ñîîòâåòñòâóþùèå óñëîâèÿ åå

îõëàæäåíèÿ ïðèâîäÿò ê íåëèíåéíîé çàâèñèìîñòè ìåæäó òîêîì è íàïðÿæåíèåì,

ïîêàçàííîé íà ðèñóíêå. Â ïðåäåëàõ èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà çàæèìàõ áàðåòòå-

ðà îò

u

¢

äî

u

²

òîê ïî÷òè íå èçìåíÿåòñÿ. Ïîýòîìó áàðåòòåðû èñïîëüçóþòñÿ äëÿ

ñòàáèëèçàöèè òîêà.

Ñ ýòîé öåëüþ èõ âêëþ÷àþò ïîñëåäîâàòåëüíî ñ ïðèåìíèêîì,

â êîòîðîì íåîáõîäèìî ñòàáèëèçèðîâàòü òîê. Åñëè ïîäîáðàòü íîðìàëüíûé ðåæèì

ðàáîòû öåïè òàê, ÷òîáû ðàçíîñòü íàïðÿæåíèé ïèòàþùåé ñåòè è ïðèåìíèêà, ïðè-

õîäÿùàÿñÿ íà çàæèìû áàðåòòåðà, ðàâíÿëàñü

u

íîì

(

ðèñ. 19.13), òî ïðè êîëåáàíèÿõ

íàïðÿæåíèÿ ñåòè â ïðåäåëàõ ±

D

u

ýòè êîëåáàíèÿ ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ ïðèõî-

äÿòñÿ íà áàðåòòåð, òàê êàê òîê îñòàåòñÿ íåèçìåííûì è, ñîîòâåòñòâåííî, íåèçìåí-

íûì îñòàåòñÿ íàïðÿæåíèå íà çàæèìàõ ïðèåìíèêà ïðè ïîñòîÿíñòâå åãî ñîïðîòèâ-

ëåíèÿ. Òîê â öåïè îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì òàêæå è ïðè èçìåíåíèÿõ ñîïðîòèâëåíèÿ

ïðèåìíèêà, õîòÿ ïðè ýòîì íàïðÿæåíèå íà ïðèåìíèêå èçìåíÿåòñÿ. Äëÿ ñòàáèëè-

çàöèè òîêà âàæíî òîëüêî, ÷òîáû êîëåáàíèÿ ðàçíîñòè íàïðÿæåíèé ñåòè è ïðèåì-

íèêà íå âûõîäèëè çà ïðåäåëû

u

¢

è

u

²

(ðèñ. 19.13).

 êà÷åñòâå íåëèíåéíûõ ýëåìåíòîâ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ

ëàìïû ñ òëåþùèì

ðàçðÿäîì

(íåîíîâûå ëàìïû, ñòàáèëîâîëüòû è ò. ä.). Ýòè ëàìïû ïðåäñòàâëÿþò

ñîáîé çàïîëíåííûå èíåðòíûì ãàçîì çàïàÿííûå áàëëîíû, êóäà ââåäåíû äâà ýëåê-

òðîäà, ìåæäó êîòîðûìè èìååòñÿ ãàçîâûé ïðîìåæóòîê. Íà ðèñ. 19.14 äàíà õàðàê-

òåðèñòèêà òàêîé ëàìïû. Åñëè ïîñòåïåííî óâåëè÷èâàòü íàïðÿæåíèå íà íåãîðÿ-

ùåé ëàìïå, òî òîê, îñòàâàÿñü íè÷òîæíûì ïî çíà÷åíèþ, íåìíîãî âîçðàñòàåò. Ïðè

äîñòèæåíèè íàïðÿæåíèÿ

u

0

ìåæäó ýëåêòðîäàìè âîçíèêàåò òëåþùèé ðàçðÿä —

ëàìïà çàãîðàåòñÿ, ò. å. ãàç íà÷èíàåò ñâåòèòüñÿ. Íà îäíîì ó÷àñòêå õàðàêòåðèñòèêà

ëàìïû ÿâëÿåòñÿ ïàäàþùåé âñëåäñòâèå ðîñòà ñòåïåíè èîíèçàöèè ãàçà ïðè óâåëè-

÷åíèè òîêà è ñîîòâåòñòâåííîãî óâåëè÷åíèÿ ïðîâîäèìîñòè ãàçîâîãî ïðîìåæóòêà.

 ïðåäåëàõ èçìåíåíèÿ òîêà îò

i

¢

è

i

²

íàïðÿæåíèå íà ëàìïå ïðàêòè÷åñêè îñòàåòñÿ

íåèçìåííûì, ÷òî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ

ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèÿ

ñ ïîìîùüþ òàê

íàçûâàåìûõ ñòàáèëîâîëüòîâ.

Ñòàáèëîâîëüò ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ëàìïó ñ òëåþùèì ðàçðÿäîì ñ ïîñëåäîâà-

òåëüíî âêëþ÷åííûì ñ íåé ëèíåéíûì ðåçèñòîðîì

r

(ðèñ. 19.15). Ïðèåìíèê

N

, íà

çàæèìàõ êîòîðîãî íåîáõîäèìî ñòàáèëèçèðîâàòü íàïðÿæåíèå, ïðèêëþ÷àåòñÿ ïà-

ðàëëåëüíî ëàìïå. Íîðìàëüíûé ðåæèì âñåé öåïè ïîäáèðàþò òàê, ÷òîáû òîê â

ëàìïå ðàâíÿëñÿ

i

íîì

(ðèñ. 19.14). Ïðè èçìåíåíèè íàïðÿæåíèÿ

u

1

ñåòè èçìåíÿåòñÿ

òîê

i

1

=

i

+

i

2

â ðåçèñòîðå

r

, íî åñëè ýòè êîëåáàíèÿ òîêà íå âûõîäÿò çà ïðåäåëû ±

D

i

334

×àñòü 3. Òåîðèÿ íåëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ öåïåé

Ðèñ. 19.13

Ðèñ. 19.14

Ðèñ. 19.15

(ðèñ. 19.14), òî îíè ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ ïðèõîäÿòñÿ íà òîê

i

â ëàìïå. Íàïðÿ-

æåíèå æå

u

2

íà ëàìïå è íà ïðèåìíèêå è òîê

i

2

â ïðèåìíèêå ïðàêòè÷åñêè íå èç-

ìåíÿþòñÿ. Íàïðÿæåíèå

u

2

îñòàåòñÿ ñòàáèëüíûì è ïðè èçìåíåíèè ñîïðîòèâëå-

íèÿ ïðèåìíèêà. Ïðè ýòîì èçìåíåíèå òîêà

i

2

êîìïåíñèðóåòñÿ èçìåíåíèåì òîêà

i

â ëàìïå. Äëÿ ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèÿ

u

2

íåîáõîäèìî, ÷òîáû ïðè êîëåáàíèÿõ

íàïðÿæåíèÿ ñåòè è ñîïðîòèâëåíèÿ ïðèåìíèêà òîê â ëàìïå îñòàâàëñÿ â ïðåäåëàõ

i

¢

è

i

²

(ðèñ. 19.14).

19.6. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå äèîäû êàê íåëèíåéíûå ýëåìåíòû

ýëåêòðè÷åñêîé öåïè

Ïîëóïðîâîäíèêîâûå äèîäû, îáëàäàþùèå íåñèììåòðè÷íîé íåëèíåéíîé õàðàêòå-

ðèñòèêîé, ïîëó÷èëè èñêëþ÷èòåëüíî øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå. Óæå â òå÷åíèå

äëèòåëüíîãî âðåìåíè äëÿ âûïðÿìëåíèÿ ïåðåìåííîãî òîêà èñïîëüçóþòñÿ ìåäíî-

çàêèñíûå è ñåëåíîâûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå âåíòèëè.

Îñîáûé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò âåñüìà øèðîêî ïðèìåíÿåìûå ãåðìàíèåâûå è

êðåìíèåâûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå âåíòèëè. Ðàññìîòðèì íåñêîëüêî ïîäðîáíåå ïðî-

öåññû â ýòèõ âåíòèëÿõ, òàê êàê ýòî ïîíàäîáèòñÿ â ïîñëåäóþùåì äëÿ óÿñíåíèÿ

ïðèíöèïà äåéñòâèÿ ãåðìàíèåâûõ òðèîäîâ.

Ãåðìàíèé è êðåìíèé îòíîñÿòñÿ ê ÷åòâåðòîé ãðóïïå ýëåìåíòîâ — àòîìû èõ

èìåþò âî âíåøíåé ýëåêòðîííîé îáîëî÷êå ïî ÷åòûðå âàëåíòíûõ ýëåêòðîíà. Â êðèñ-

òàëëå ãåðìàíèÿ àòîìû ðàñïîëîæåíû òàê, ÷òî êàæäûé

àòîì íàõîäèòñÿ ìåæäó ÷åòûðüìÿ ñîñåäíèìè àòîìàìè,

îòñòîÿùèìè ïî îòíîøåíèþ ê íåìó íà ðàâíûõ ðàññòîÿ-

íèÿõ è ïîä îäèíàêîâûìè óãëàìè. ×åòûðå âàëåíòíûõ

ýëåêòðîíà êàæäîãî àòîìà âõîäÿò â òàê íàçûâàåìûå êî-

âàëåíòíûå ñâÿçè ñ ÷åòûðüìÿ ñîñåäíèìè àòîìàìè. Òà-

êèì îáðàçîì, â êàæäîé êîâàëåíòíîé ñâÿçè ó÷àñòâóþò

äâà ýëåêòðîíà ñîñåäíèõ àòîìîâ. Íà ðèñ. 19.16 ñòðóêòóðà

êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè ãåðìàíèÿ óñëîâíî ïðåäñòàâ-

ëåíà íà ïëîñêîñòè. ßäðî àòîìà ñ îñòàëüíûìè ýëåêòðî-

íàìè ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé èíåðòíûé â îòíîøåíèè õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâ è â îòíî-

øåíèè ýëåêòðîïðîâîäíîñòè îñòàòîê ñ ïîëîæèòåëüíûì çàðÿäîì, ïî àáñîëþòíîìó

çíà÷åíèþ ðàâíûì ÷åòûðåì çàðÿäàì ýëåêòðîíà.

Ýíåðãåòè÷åñêèé çàçîð ìåæäó âàëåíòíîé çîíîé è çîíîé ïðîâîäèìîñòè íà òàê

íàçûâàåìîé ýíåðãåòè÷åñêîé äèàãðàììå ó ïîëóïðîâîäíèêîâ èìååò ïîðÿäîê 1 ýÂ

(ó ãåðìàíèÿ 0,72 ýÂ, ó êðåìíèÿ 1,11 ýÂ), ò. å. çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, ÷åì ó äèýëåê-

òðèêîâ. Ïîýòîìó ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå ó ïîëóïðîâîäíèêîâ áîëüøåå ÷èñëî

ýëåêòðîíîâ, ÷åì ó äèýëåêòðèêîâ, ñïîñîáíî ïðåîäîëåòü ýòîò çàçîð è ïåðåéòè â çî-

íó ïðîâîäèìîñòè. Ïðè ýòîì â âàëåíòíîé çîíå îáðàçóþòñÿ íå çàíÿòûå ýëåêòðî-

íàìè ìåñòà, ò. å. ïîëîæèòåëüíûå äûðêè. Ýòîò ïðîöåññ ñõåìàòè÷åñêè ïîêàçàí íà

ðèñ. 19.17,

à

íà ìîäåëè ðåøåòêè êðèñòàëëà è íà ðèñ. 19.17,

á

íà ýíåðãåòè÷åñêîé

äèàãðàììå. Ýëåêòðîíû â çîíå ïðîâîäèìîñòè è äûðêè â âàëåíòíîé çîíå îïðåäåëÿ-

þò ýëåêòðîïðîâîäíîñòü ïîëóïðîâîäíèêà. Óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ÷èñòîãî ãåð-

ìàíèÿ ïðè

t

=

20

°

Ñ ñîñòàâëÿåò

r =

0,6 Îì

×

ì, â òî âðåìÿ êàê òàêîé äèýëåêòðèê, êàê

ñëþäà, èìååò

r »

9·10

13

Îì

×

ì. Ñ âîçðàñòàíèåì òåìïåðàòóðû óâåëè÷èâàåòñÿ ÷èñëî

Ãëàâà 19. Ýëåìåíòû íåëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé, èõ õàðàêòåðèñòèêè è ïàðàìåòðû

335

Ðèñ. 19.16.

ýëåêòðîíîâ, ñïîñîáíûõ ïðåîäîëåòü ýíåðãåòè÷åñêèé çàçîð, è âñëåäñòâèå ýòîãî

óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ÷èñòîãî ãåðìàíèÿ óáûâàåò ñ ðîñòîì òåìïåðàòóðû, ò. å.

÷èñòûé ãåðìàíèé èìååò îòðèöàòåëüíûé òåìïå-

ðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ñîïðîòèâëåíèÿ.

×ðåçâû÷àéíî âàæíî, ÷òî èìååòñÿ âîçìîæ-

íîñòü âëèÿòü íà çíà÷åíèå è õàðàêòåð ïðîâîäè-

ìîñòè ãåðìàíèÿ ïóòåì âíåñåíèÿ â íåãî íè-

÷òîæíî ìàëûõ êîëè÷åñòâ ïðèìåñåé ýëåìåíòîâ

òðåòüåé (áîð, èíäèé) èëè ïÿòîé (ìûøüÿê,

ñóðüìà) ãðóïï.

Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â êðèñòàëë ãåðìàíèÿ äî-

áàâëåíà â íåáîëüøîì êîëè÷åñòâå ïðèìåñü ýëå-

ìåíòà ïÿòîé ãðóïïû, àòîìû êîòîðîãî èìåþò

ïÿòü âàëåíòíûõ ýëåêòðîíîâ. Àòîìû ïðèìåñè

çàìåùàþò â ðåøåòêå êðèñòàëëà àòîìû ãåðìàíèÿ. Ïðè ýòîì ÷åòûðå âàëåíòíûõ

ýëåêòðîíà ïðèìåñíîãî àòîìà âõîäÿò â êîâàëåíòíûå ñâÿçè ñ ÷åòûðüìÿ ñîñåäíèìè

àòîìàìè ãåðìàíèÿ, à ïÿòûé âàëåíòíûé ýëåêòðîí ïðèìåñíîãî àòîìà, îñòàâøèéñÿ

âíå ýòèõ ñâÿçåé, îêàçûâàåòñÿ ñëàáî ñâÿçàííûì ñî ñâîèì àòîìîì. Îí ëåãêî îñâî-

áîæäàåòñÿ ïîä âëèÿíèåì, íàïðèìåð, òåïëîâîãî äâèæåíèÿ, ñòàíîâÿñü ñâîáîäíûì

ýëåêòðîíîì ïðîâîäèìîñòè.

Ïðèìåñè ýòîãî òèïà íàçûâàþò «äîíîðàìè», èëè «èñòî÷íèêàìè» ýëåêòðîíîâ.

Ïîëóïðîâîäíèêè ñ òàêèìè ïðèìåñÿìè, õàðàêòåðèçóþùèåñÿ ïðåîáëàäàíèåì ñâî-

áîäíûõ ýëåêòðîíîâ, íàçûâàþò ïîëóïðîâîäíè-

êàìè òèïà

ï.

Íà ðèñ. 19.18,

à

ñõåìàòè÷åñêè èçî-

áðàæåíî íà ìîäåëè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè

ãåðìàíèÿ îáðàçîâàíèå ñâîáîäíîãî ýëåêòðîíà

âñëåäñòâèå çàìåùåíèÿ îäíîãî àòîìà ãåðìàíèÿ

ïðèìåñíûì àòîìîì ñóðüìû. Íà ýíåðãåòè÷å-

ñêîé äèàãðàììå (ðèñ. 19.18,

á

) óðîâíè äîíîðîâ

ðàñïîëàãàþòñÿ â ýíåðãåòè÷åñêîì çàçîðå âáëè-

çè çîíû ïðîâîäèìîñòè â ñîîòâåòñòâèè ñ òåì,

÷òî òðåáóåòñÿ íåçíà÷èòåëüíàÿ ýíåðãèÿ äëÿ îñ-

âîáîæäåíèÿ èõ èçáûòî÷íîãî ýëåêòðîíà è ïåðå-

âîäà åãî â çîíó ïðîâîäèìîñòè. Ïîñëå óõîäà

ýòîãî ýëåêòðîíà àòîì ïðèìåñè áóäåò ïðåäñòàâëÿòü ñîáîé çàêðåïëåííûé â ðåøåò-

êå ïîëîæèòåëüíûé èîí. Íè÷òîæíîå äîáàâëåíèå òàêîé ïðèìåñè ñóùåñòâåííî

óâåëè÷èâàåò ýëåêòðè÷åñêóþ ïðîâîäèìîñòü ãåðìàíèÿ. Òàê, äîáàâëåíèå îäíîãî äî-

íîðíîãî àòîìà íà 10

8

àòîìîâ ãåðìàíèÿ ñíèæàåò åãî óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ïðè

êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå äî

r =

0,04 Îì

×

ì.

Ïðåäïîëîæèì òåïåðü, ÷òî â ãåðìàíèé äîáàâëåíà â íåáîëüøîì êîëè÷åñòâå

ïðèìåñü ýëåìåíòà òðåòüåé ãðóïïû, àòîìû êîòîðîãî èìåþò òðè âàëåíòíûõ ýëåê-

òðîíà. Ýòè àòîìû òàêæå çàìåùàþò â ðåøåòêå êðèñòàëëà àòîìû ãåðìàíèÿ. Ïðè

ýòîì òðè âàëåíòíûõ ýëåêòðîíà ïðèìåñíîãî àòîìà âõîäÿò â êîâàëåíòíûå ñâÿçè ñ

òðåìÿ ñîñåäíèìè àòîìàìè ãåðìàíèÿ, íî â êîâàëåíòíîé ñâÿçè ñ ÷åòâåðòûì àòîìîì

ãåðìàíèÿ îáðàçóåòñÿ íå çàíÿòîå ýëåêòðîíîì ìåñòî, ò. å. äûðêà. Â ýòî íåçàíÿòîå

336

×àñòü 3. Òåîðèÿ íåëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ öåïåé

Ðèñ. 19.18.

Ðèñ. 19.17.

ìåñòî ñðàâíèòåëüíî ëåãêî ìîæåò ïåðåéòè ýëåêòðîí èç ñîñåäíåé êîâàëåíòíîé

ñâÿçè, îñòàâèâ â íåé äûðêó. Â ýòó âíîâü îáðàçîâàâøóþñÿ äûðêó ìîæåò ïåðåéòè

ýëåêòðîí èç ñëåäóþùåé êîâàëåíòíîé ñâÿçè è ò. ä. Âñå ïðîèñõîäèò òàê, êàê áóäòî

ïåðåìåùàåòñÿ ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííàÿ ÷àñòèöà, ýêâèâàëåíòíàÿ äûðêå.

Ïðèìåñè ýòîãî òèïà íàçûâàþò «àêöåïòîðàìè», èëè «ïðèåìíèêàìè» ýëåê-

òðîíîâ. Ïîëóïðîâîäíèêè ñ òàêèìè ïðèìåñÿìè, õàðàêòåðèçóþùèåñÿ äûðî÷íîé

ïðîâîäèìîñòüþ, íàçûâàþò ïîëóïðîâîäíèêàìè òèïà

p.

Íà ðèñ. 19.19,

à

íà ìîäåëè

êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè ñõåìàòè÷åñêè èçî-

áðàæåíî îáðàçîâàíèå äûðêè â ñëó÷àå çàìåùå-

íèÿ îäíîãî àòîìà ãåðìàíèÿ ïðèìåñíûì àòî-

ìîì èíäèÿ. Íà ýíåðãåòè÷åñêîé äèàãðàììå

(ðèñ. 19.19,

á

) óðîâíè àêöåïòîðîâ ðàñïîëàãà-

þòñÿ â ýíåðãåòè÷åñêîì çàçîðå âáëèçè âàëåíò-

íîé çîíû â ñîîòâåòñòâèè ñ òåì, ÷òî òðåáóåòñÿ

íåçíà÷èòåëüíàÿ ýíåðãèÿ äëÿ ïåðåâîäà íà ýòîò

óðîâåíü ýëåêòðîíà èç âàëåíòíîé çîíû ñ îáðà-

çîâàíèåì äûðêè â ïîñëåäíåé. Ïîñëå óõîäà

äûðêè àòîì ïðèìåñè áóäåò ïðåäñòàâëÿòü ñîáîé

çàêðåïëåííûé â ðåøåòêå îòðèöàòåëüíûé èîí.

Âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâ ñ ðàçëè÷íûì õàðàêòåðîì ïðîâîäè-

ìîñòè ïîçâîëÿåò ñîçäàòü óñòðîéñòâà äëÿ âûïðÿìëåíèÿ ïåðåìåííîãî òîêà.

Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â îáðàçöå ãåðìàíèÿ ñëåâà îò ïëîñêîñòè

1

–

1

¢

(ðèñ. 19.20)

ââåäåíû àêöåïòîðíûå ïðèìåñè, à ñïðàâà îò íåå — äîíîðíûå ïðèìåñè, ò. å. ñëåâà

èìååì ãåðìàíèé òèïà

p

, à ñïðàâà — ãåðìàíèé òèïà

ï.

Ãîâîðÿò,

÷òî îêîëî ïëîñêîñòè

1

–

1

¢

èìååòñÿ

p

–

n

-ïåðåõîä. Äûðêè â ãåð-

ìàíèè òèïà

p

è ýëåêòðîíû â ãåðìàíèè òèïà

ï

ÿâëÿþòñÿ

îñíîâíûìè íîñèòåëÿìè òîêà. Äûðêè áóäóò äèôôóíäèðîâàòü

ñëåâà íàïðàâî èç îáëàñòè

p

â îáëàñòü

ï.

Ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû

áóäóò äèôôóíäèðîâàòü â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè.

 èòîãå ñëåâà îò ïëîñêîñòè

1

–

1

¢

îáðàçóåòñÿ èçáûòî÷íûé îò-

ðèöàòåëüíûé çàðÿä è ñïðàâà — èçáûòî÷íûé ïîëîæèòåëüíûé

çàðÿä. Âñëåäñòâèå ðåêîìáèíàöèè ýëåêòðîíîâ è äûðîê â áëèç-

ëåæàùèõ ê ïëîñêîñòè

1

–

1

¢

îáëàñòÿõ íå áóäåò íè äûðîê, íè

ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ è èçáûòî÷íûé çàðÿä, ïî ñóùåñòâó,

áóäåò ñîçäàâàòüñÿ ñëåâà îòðèöàòåëüíûìè èîíàìè àêöåïòîðà,

à ñïðàâà — ïîëîæèòåëüíûìè èîíàìè äîíîðà. Â ìåñòå

p

–

n

-ïåðåõîäà âîçíèêàåò

ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå, íàïðàâëåííîå ñïðàâà íàëåâî è ïðåïÿòñòâóþùåå äàëüíåéøåé

äèôôóçèè äûðîê è ýëåêòðîíîâ. Ìåæäó îáëàñòüþ

p

è îáëàñòüþ

ï

îáðàçóåòñÿ ðàç-

íîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ ïîòåíöèàëîâ, ò. å. âîçíèêàåò òàê íàçûâàåìûé ïîòåíöèàëü-

íûé áàðüåð. Ðàñïðåäåëåíèå ïîòåíöèàëà â ðàéîíå

p

–

n

-ïåðåõîäà ïîêàçàíî âíèçó

íà ðèñ. 19.20 è íà ðèñ. 19.21,

à

, ïðè÷åì çäåñü è äàëåå çà íóëü ïîòåíöèàëà óñëîâíî

ïðèíÿò ïîòåíöèàë â îáëàñòè ãåðìàíèÿ òèïà

ð

íåïîñðåäñòâåííî îêîëî

p

–

n

-ïåðå-

õîäà, ãäå óæå íåò îáúåìíîãî çàðÿäà.

Ïðèêëþ÷èì òàêîé îáðàçåö ê èñòî÷íèêó ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ òàê, êàê ïî-

êàçàíî íà ðèñ. 19.21,

á.

Ïðè òàêîì âêëþ÷åíèè íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà ñíèçèò çíà-

Ãëàâà 19. Ýëåìåíòû íåëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé, èõ õàðàêòåðèñòèêè è ïàðàìåòðû

337

Ðèñ. 19.19

Ðèñ. 19.20