Применение полупроводников в технике

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение …… ……………………………………………………………….3 Глава I. Общие сведения о полупроводни ках 1.1 Теория и свойства……………………………………………………….5 1.2 Методы очистки и переплавки полупро водниковых материалов…..11 Глава II. Мет аллургия германия и кремния…………………………….12 Глава III . Применение полупроводников 3.1 Тепловые сопротивления………………………… ……………………15 3.2 Фотосопротивления……………………………………… …………….18 3.3 Термоэлементы………………………………………………… ……….19 3.4 Холодильники и нагреватели………………… ………………………..20 Заключение ………………………………………………………………...24 Литература …………………………………………………………… …….25 ВВЕДЕНИЕ Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конц а XIX века, только развитие теори и твердого тела позволила понять их особенность. Полупроводниками назы вают вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей проме жуточное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отлич аются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым дви жением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Без тепловог о движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изолятора ми. С повышением температуры электропроводность полупроводников возра стает и при расплавлении носит металлический характер. Задолго до этого были обнар ужены: 1. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник 2. фотопроводимость. Были построены первые прибо ры на их основе. О. В. Лосев 1 1 Шалимова К.В. "Физика по лупроводников" Изд. "Энергия" 1976 (1923) доказал возможность ис пользования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации к олебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристалл ические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 - х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектроник е. Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников , чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и и х легированию (введение в полупроводник определенных примесей). В СССР изучение полупроводников начались в конце 20 - х годов под руководс твом академика А.Ф. Иоффе 2 2 .Браун Д.А..-Новые материалы в технике. -Издательство ЅВысшая шко лаЅ, М.- 1965,194с. в Физико-техническом институте АН СССР. Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос всвязи с открыт ием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию по лупроводниковых лазеров вначале на p - n - переходе, а затем н а гетеропереходах. В последнее время большее распространение получили приборы, основанны е на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника , ни медицина, ни многие другие науки. 1. Общие сведения о полупроводниках 1.1 Теория и свойства Полупроводниками называют вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей промежуточ ное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них с оздаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источнико м энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводни ки являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический хар актер. К полупроводниковым материалам относится большинство минералов, неме таллические элементы IV, V, VI групп периодической системы Менделеева, неорг анические соединения (оксиды, сульфиды), некоторые сплавы металлов, орга нические красители. Широко применяемыми полупроводниковыми материала ми являются элементы IV группы периодической системы Менделеева – герма ний и кремний 1 1 Стриха В.И. Теоретические основы контакта металл-полупроводник.// Киев. "Наукова думка", 1974. . Это вещества, кристаллизирующиеся в решётке типа алма за. Такая решётка представляет собой тетраэдр, по вершинам которого расп оложены четыре атома, окружающие атом, находящийся в центре тетраэдра. З десь каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседями силами ковалент ной связи, так как каждый из них имеет четыре внешних валентных электрон а. При температурах около абсолютного нуля в идеальном кристалле кремния или германия все ковалентные связи заполнены, а все электроны связаны с атомами и не могут участвовать в процессе электропроводности. Чтобы эле ктрон мог проводить электрический ток, нужно затратить некоторую работ у для его освобождения из ковалентной связи. Это происходит при освещении кристалла. Свет, как известно, представляет собой поток частиц – фотонов, или квантов света. Если энергия фотона бол ьше или равна энергии разрыва связи, то электрон может стать свободным и сможет принимать участие в процессе электропроводности. Здесь происхо дит переход электронов из наружной заполненной зоны в зону проводимост и. При этом вместо ушедшего электрона в кристалле появляется незаполнен ная связь, которая может быть занята электроном из другой какой-нибудь с вязи. Одновременно в ранее заполненной зоне образуется дырка. Таким обра зом, незаполненная связь или дырка может перемещаться по кристаллу. Эта незаполненная связь эквивалентна положительной частице, двигающейся п о кристаллу под действием внешнего электрического поля. В действительн ости дырки не представляют собой положительно заряженных частиц. Очеви дно, что в идеальном кристалле количество дырок будет равно количеству с вободных электронов. С прекращением освещения электропроводность кристалла начнёт уменьша ться, так как электроны, которые освободились под действием света, будут размещаться в связях, т.е. произойдёт рекомбинация электронов и дырок. Эт от процесс заканчивается в течение тысячных долей секунды или меньше и к ристалл снова перестаёт проводить электрический ток. Явление, при котор ом возникает электрический ток под действием света в кристалле, помещён ном во внешнее электрическое поле, называется фотопроводимостью. Наименьшая энергия, которая необходима для перевода электрона из запол ненной зоны в зону проводимости, определяет собой величину энергетичес кого интервала между этими двумя или ширину запретной зоны. Для разрыва валентных связей при очень низких температурах необходима энергия, равная 1.2 эв (~0.1922 адж) для кремния и 0.75 эв (~0.1201 адж) для германия. В светово м луче энергия фотонов значительно выше: так, для жёлтого света она соста вляет 2 эв (0.3204 адж). Освобождение электронов может произойти и другим путём, например при на гревании кристалла, когда энергия колебания атомов в кристаллической р ешётке может увеличиться настолько, что связи разрушатся и электроны см огут освободиться. Этот процесс также протекает с образованием дырок. В идеальных кристаллах, где количества электронов и дырок равны, проводи мость называется собственной. Так как удельное сопротивление идеальны х кристаллов полупроводников зависит только от температуры, то величин а его может служить характеристикой данного полупроводника. Сопротивл ение идеальных кристаллов называют собственным сопротивлением полупр оводника, например, для кремния при 300°К собственное удельное сопротивле ние равно 63600 ом·см (636 ом·м), а для германия при той же температуре 47 ом·см (0.470 о м·м). Идеальные кристаллы, не содержащие никаких примесей, встречаются очень редко. Примеси в кристаллах полупроводников могут увеличивать количес тво электронов или дырок. Было установлено, что введение одного атома су рьмы в кубический сантиметр германия или кремния приводит к появлению о дного электрона, а одного атома бора – к появлению одной дырки. Появление электронной или дырочной проводимости при введении в идеаль ный кристалл различных примесей происходит следующим образом. Предпол ожим, что в кристалле кремния один из атомов замещен атомом сурьмы. Сурьм а на внешней электронной оболочке имеет пять электронов (V группа период ической системы). Четыре электрона образуют парные электронные связи с ч етырьмя ближайшими соседними атомами кремния. Оставшийся пятый электр он будет двигаться около атома сурьмы по орбите, подобной орбите электро на в атоме водорода, но сила его электрического притяжения к ядру уменьш ится соответственно диэлектрической проницаемости кремния. Поэтому, ч тобы освободить пятый электрон, нужна незначительная энергия, равная пр имерно 0,05 эв (~ 0,008 адж). Слабо связанный электрон легко может быть оторван от а тома сурьмы под действием тепловых колебаний решётки при низких темпер атурах. Такая низкая энергия ионизации примесного атома означает, что пр и температурах около – 100°с, все атомы примесей в германии и кремнии уже и онизированы, а освободившиеся электроны участвуют в процессе электроп роводности. В этом случае основными носителями заряда будут электроны, т .е. здесь имеет место электронная проводимость или проводимость n-типа 1 1 Шалимова К.В. "Физика полупроводников" Изд. "Энергия" 1976 (n - первая буква слова negative). После того как «лишний», пятый, электрон удалён, атом сурьмы становится п оложительно заряженным ионом, имеющим четыре валентных электрона, как и все атомы кремния, т.е. ион сурьмы становится заместителем кремния в крис таллической решётке. Примеси, обусловливающие возникновение электронной проводимости в кри сталлах, называются донорами. В кремнии и германии ими являются элементы V группы таблицы Менделеева – сурьма, фосфор, мышьяк и висмут. Трёхвалент ный атом примеси бора в решётке кремния ведёт себя по-иному. На внешней об олочке атома бора имеются только три валентных электрона. Значит, не хва тает одного электрона, чтобы заполнить четыре валентные связи с четырьм я ближайшими соседями. Свободная связь может быть заполнена электроном, перешедшим из какой-либо другой связи, эта связь заполнится электронами следующей связи и т.д. Положительная дырка (незаполненная связь) может пе ремещаться по кристаллу от одного атома к другому (при движении электрон а в противоположном направлении). Когда электрон заполнит недостающую в алентную связь, примесный атом бора станет отрицательно заряженным ион ом, заменяющим атом кремния в кристаллической решётке. Дырка будет слабо связана с атомом бора силами электростатического притяжения и будет дв игаться около него по орбите, подобной орбите электрона в атоме водорода . Энергия ионизации, т.е. энергия, необходимая для отрыва дырки от отрицате льного иона бора, будет примерно равна 0,05 эв. Поэтому при комнатной темпер атуре все трёхвалентные примесные атомы ионизированы, а дырки принимаю т участие в процессе электропроводности. Если в кристалле кремния имеет ся примесь трёхвалентных атомов (III группа периодической системы), то пров одимость осуществляется в основном дырками. Такая проводимость носит н азвание дырочной или проводимости р (р - первая буква слова positive). Примеси, вы зывающие дырочную проводимость, называются акцепторами. К акцепторам в германии и кремнии относятся элементы третьей группы периодической си стемы: галлий, таллий, бор, алюминий. Количество носителей тока, возникающих при введении примеси каждого ви да в отдельности, зависит от концентрации примеси и энергии её ионизации в данном полупроводнике. Однако большинство практически используемых примесей при комнатной температуре полностью ионизировано, поэтому ко нцентрация носителей, создаваемая при этих условиях примесями, определ яется только их концентрацией и для многих из них равна числу введенных в полупроводник атомов примеси. Каждый атом донорной примеси вносит один электрон проводимости, следов ательно, чем больше донорных атомов в каждом кубическом сантиметре полу проводника, тем больше концентрация их превышает концентрацию дырок, и п роводимость носит электронный характер. Обратное положение имеет мест о при введении акцепторных примесей. При равной концентрации донорной и акцепторной примесей в кристалле пр оводимость будет обеспечиваться, как и в собственном полупроводнике, эл ектронами и дырками за счёт разрыва валентных связей. Такой полупроводн ик называется компенсированным. Количество электричества, переносимого дырками или электронами, опред еляется не только концентрацией носителей, но и подвижностью электроно в и дырок. Важнейшей характеристикой, определяющей качество германия и кремния в технике полупроводниковых приборов, является величина ф, называемая вр еменем жизни неосновных носителей тока. В большинстве случаев ф желател ьно иметь максимальным. Для использования германия и кремния в полупроводниковых приборах (нап ример, солнечных батареях, преобразующих световую энергию в электричес кую) и инфракрасной оптике важно знать коэффициент преломления, отражат ельную способность и пропускание света в широком диапазоне длин волн. Наряду с элементарными полупроводниками в полупроводниковой технике н аходят широкое применение полупроводниковые соединения, получаемые п утём сплавления или химической обработки чистых элементов. Таковы заки сь меди (Cu2O), из которой изготавливают полупроводниковые выпрямители разн ообразных типов, сурьмянистый цинк (SbZn), используемый для изготовления по лупроводниковых термобатарей, теллуристый свинец (PbTe), нашедший применен ие для изготовления фотоэлектрических приборов и для отрицательной ве тви термоэлементов и многие другие. Особый интерес представляют соединения типа АIIIВV 1 1 Стриха В.И. Теоретические основы контакта металл-полупрово- дник.// Киев. "Наукова думка", 1974. . Получают их путём синтеза элементов III и V групп периоди ческой системы элементов Менделеева. Из соединений этого типа наиболее интересными полупроводниковыми свойствами обладают A1P, A1As, A1Sb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb. По ряду свойств эти соединения близки к полупроводниковым элементам IV груп пы германию и кремнию. Подвижность носителей тока в них достигает больши х значений; ширина запрещённой зоны у некоторых из этих соединений также велика; примеси, вводимые в них, изменяют механизм электропроводности; т ак, некоторые атомы II группы ведут себя как акцепторы, а ряд атомов VI группы – как доноры. 1.3 Методы очистки и переплавки полупр оводниковых материалов Полупроводниковая техника требует применения особо чистых материалов. Примеси, как было уже отмече но, изменяют свойства полупроводников. Поэтому в зависимости от назначе ния материалов количество примесей в них ограничивают. Легирующие доба вки, вводимые в полупроводники для придания им определённых свойств, так же должны быть чисты от примесей. В современной технике пользуются рядом способов получения материалов высокой чистоты. Таковы йодидный метод, применяемый для очистки некотор ых металлов, и метод зонной плавки; оба они описаны в разделе производств а титана. Кроме этих методов, для очистки полупроводниковых материалов п рименяют некоторые виды их переплавки. Простейшей является открытая переплавка в тигле, устанавливаемом в эле ктрической печи. Во время переплавки порошкообразного материала из нег о удаляются влага, газы и окислы (последние всплывают вверх). Некоторые ок ислы затвердевают на поверхности расплава, который можно слить, пробива нием отверстия в корке окислов. Более полной является очистка, производимая при переплавке в вакууме. Ма териал, подлежащий очистке, загружают в кварцевую ампулу, которую помеща ют в электрическую печь. Открытый конец ампулы соединяют с вакуумной уст ановкой и откачивают выделяющиеся во время расплавления материала газ ы и летучие соединения. Откачка длится от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от времени плавки. Высокую степень чистоты полупроводниковых материалов получают возгон кой или сублимацией. Этот метод основан на способности некоторых твёрды х веществ переходить в парообразное состояние, минуя жидкую фазу, а зате м в обратном порядке переходить из парообразного в твёрдое состояние, об разуя твёрдый продукт – сублимат. Такими свойствами обладают некоторы е полупроводники. Возможность возгонки определяется упругостью паров примесей или чистого вещества при данной температуре. Полупроводников ые материалы обладают довольно высокой упругостью паров, что даёт возмо жность производить возгонку при относительно низких температурах и не большом вакууме. Сублимат 1 1 Стриха В.И. Теоретические основы контакта мета лл-полупроводник.// Киев. "Наукова думка", 1974. осаждается на стенках вертикально установленного кон денсатора, причём наиболее летучие примеси оседают в верхней зоне, наиме нее летучие – внизу, а труднолетучие остаются в остатке. В результате по вторной возгонки получают более чистый продукт. Различные методы очистки полупроводников дают возможность получать пр одукт требуемой чистоты. Так, например, зонной плавкой загрязнённого ге рмания удаётся снизить число атомов примеси в нём до одного на 10 атомов г ермания. 2. Металлургия германия и кремния Германий принадлежит к редк им рассеянным в природе элементам. Запасы его в земной коре составляют 7· 10 %. Атомный вес германия 72,6, температура плавления 958,5°С. производят его из о тходов цинкового производства, пыли, получаемой при сжигании углей, герм аниевых концентратов, извлекаемых из медно-свинцово-цинковых сульфидн ых руд и содержащей германий пыли, улавливаемой при медной плавке. Техно логия получения германия осуществляется путём превращения двуокиси в тетрахлорид германия, очистки последнего и превращения тетрахлорида в двуокись с последующим восстановлением двуокиси. Эти процессы можно пр едставить уравнениями реакций: GeO2+4HCl↔'2dGeCl4+2H2O. При концентрации HCl>6n реакция сдвинута вправо; при меньше й концентрации – реакция протекает справа налево. Температура кипения полученного тетрахлорида германия 83єC. Так как вмес те с ним в сконденсированной жидкости имеются и другие соединения, то ег о подвергают ректификации. После этого тетрахлорид германия переводят в двуокись по уравнению GeCl4+(x+2)H2O=GeO2xH2O+4HCl. Полученную чистую двуокись германия восстанавливают в трубчатой электрической печи водородом. Восстановление протекает по реакции GeO2+2H2=Ge+2H2O, При температуре 600°C, в течение 20-50 мин, после чего лодочка с восстановленным германием передвигается в зону более высоких температ ур и при 1000-1100°C происходит сплавление. Кремний – широко распространённый элемент в природе. В земной коре его 27.6%. атомный вес кремния 28.06. температура плавления 1415°C, температура кипения около 2600°C. Технология получения его отличается от технологии получения г ермания. Исходное сырьё в виде двуокиси кремния широко распространено в природе. Из кремнезёма в дуговых электрических печах путём восстановле ния его углеродом кокса получают кремний чистотой до 97%. Восстановление п ротекает по уравнению SiO2+2C=Si+2CO. Путём хлорирования технического кремния получают тет рахлорид кремния. Старейшим методом разложения тетрахлорида кремния я вляется метод выдающегося русского химика академика Н.Н.Бекетова. Метод этот можно представить уравнением: SiCl4+Zn=Si+2ZnCl2. Здесь пары тетрахлорида кремния, кипящего при температ уре 57,6°C, взаимодействуют с парами цинка. В настоящее время тетрахлорид кремния восстанавливают водородом. Реак ция протекает по уравнению: SiCl4+2Н2=Si+4НCl. Кремний получается в порошкообразном виде. Применяют и йодидный способ получения кремния, аналогичный описанному ранее йодидному методу полу чения чистого титана. Чтобы получить чистыми германий и кремний, их очищают от примесей зонной плавкой аналогично тому, как получают чистый титан. Для целого ряда полупроводниковых приборов предпочтительны полупрово дниковые материалы, получаемые в виде монокристаллов, так как в поликрис таллическом материале имеют место неконтролируемые изменения электри ческих свойств. При вращении монокристаллов пользуются методом Чохральского, заключаю щимся в следующем: в расплавленный материал опускают стержень, на конце которого имеется кристалл данного материала; он служит зародышем будущ его монокристалла. Стержень вытягивают из расплава с небольшой скорост ью до 1-2 мм/мин. В результате постепенно выращивают монокристалл нужного р азмера. Из него вырезают пластинки, используемые в полупроводниковых пр иборах. Маркировку германия и кремния производят по буквенно-цифровой системе. Германий электронный, легированный сурьмой, обозначают ГЭЛС. За буквами цифры указывают удельное сопротивление ом·см (ом·м), а если их две группы, как, например, 0,3/0,2, то первые (0,3) означают удельное сопротивление, а вторые (0,2) – диффузионную длину неосновного носителя тока, мм. Кремний монокриста ллический дырочный маркируют КМ-2, где цифра показывает удельное сопроти вление ом·см; кремний монокристаллический электронный маркируют КМЭ-2. 2. Применение полупроводник ов 3.1 Тепловые сопротивления ( термисторы) Изменение электропроводно сти полупроводников под влиянием температуры позволило применять их в приборах, работа которых основана на использовании этого свойства. Полу проводники используют в качестве термометров для замера температур ок ружающей среды. Они более чувствительны, чем термометры сопротивления, и зготовляемые из металла под названием болометров и применяемые в лабор аторной практике для измерения очень высоких или самых низких температ ур. О температуре судят, замеряя электрическое сопротивление болометра. Но точность измерения с помощью этих приборов невелика, так как металлы изменяют своё сопротивление всего на 0,3% на каждый градус. Иное положение имеет место при использовании полупроводников. У некоторых полупровод ников повышение температуры на 1°C увеличивает электропроводность на 3-6%, повышение температуры на 10° - примерно на 75%, а повышение температуры на 100°C увеличивает электропроводность в 50 раз. Благодаря высокому удельному со противлению полупроводников их применяют в качестве чувствительных те рмометров при дистанционных измерениях. Сопротивление металлических п роводов даже очень тонких и длиной в несколько километров оказывается н ичтожным по сравнению с сопротивлением термометра. Размеры полупровод никовых сопротивлений могут быть чрезвычайно малыми длиной в нескольк о десятых долей миллиметра. Это снижает инерционность прибора, так как п ри малых размерах сопротивление быстро принимает температуру окружающ ей среды. Значительное изменение электропроводности полупроводников в зависимости от температуры обеспечивает точность измерений. Полупроводниковые термометры сопротивления под названием термисторо в широко применяют в технике. С их помощью контролируют температуру в бо льшом числе точек, причём показания её могут быть получены на приборах, у становленных в одном пункте. При таком контроле температур в помещениях с помощью термисторов можно поддерживать температуру на желаемом уров не, включая и выключая нагревательные приборы, когда заданный уровень т емпературы отклоняется от нормы. Работают они при температурах до 300°C (573°K). Термисторы могут выполнять функции ограничителя времени. Для этого пос ледовательно с полупроводниковым термосопротивлением включается то и ли иное активное электросопротивление. В результате в сети получается в озрастающий со временем ток, так как ток разогревает полупроводник и пов ышает его электропроводность, следовательно, повышается и величина ток а в цепи. По мере разогрева полупроводника сопротивление падает, а ток по вышается ещё в большей степени. Параллельно с ростом температуры увелич иваются и потери тепла в окружающую среду до тех пор, пока они не сравняют ся с теплотой, выделяемой током; тогда будет достигнута равновесная темп ература, которую полупроводник и будет сохранять, пока к нему приложена данная разность потенциалов. Продолжительность времени, необходимого для достижения равновесия и о пределённого тока при данной разности потенциалов, определяется разме рами образца и условиями охлаждения. Такое «реле» времени допускает рег улировку в самых широких пределах. Можно подобрать условия так, чтобы эт о время было от долей секунды до 10 мин. По достижении установленного време ни может производиться автоматическое включение и выключение систем о свещения или действующих установок. Термосопротивления применяют как регуляторы температуры, температурн ые компенсаторы, в приборах для измерения утечки газа, для дистанционног о измерения влажности, для измерения высоких давлений, механических нап ряжений, скорости или количества протекающих жидкости, скорости движен ия газов, для измерения больших ускорений. При изготовлении термисторов пользуются окислами различных металлов, таких, как CuO, Mn3O4, UO2, а также Ag2S. Хорошие результаты дают смеси полупроводников, такие, как CuO+Mn3O4; Mn3O4+NiO; Mn3O4+NiO+Co3O4. Вещества, используемые для изготовления термосопротивлений, представл яют собой мелкокристаллические порошки. Составляя смесь, регулируют их проводимость, обусловленную ионами с разной валентностью. Это позволяе т удовлетворять самые различные требования, которые предъявляются к те рмосопротивлениям в зависимости от их назначения. Термосопротивления изготавливают прессованием полупроводникового п орошка с последующим спеканием в твёрдую компактную массу, а также путём плавки полупроводника для придания ему нужной формы и размеров. Изготав ливают их в виде шариков, стержней, дисков, шайб и чешуек. Наша промышленность выпускает различные типы термосопротивлений, сред и которых наиболее распространёнными являются: ММТ-1, ММТ-4, КМТ-1, КМТ-4, ММТ-8 и ММТ-9 1 1 Кнаб О.Д. Б ИСПИН - новый тип полупроводниковых приборов//Электронная промышленнос ть. 1989. N8 . В этих марках буквы являются условным обозначением ма териала термосопротивлений, а цифры – его конструктивного оформления. Первые четыре из приведенных сопротивлений применяют для измерения и р егулирования температуры; в качестве «реле» времени; для дистанционног о измерения влажности воздуха (по принципу психометра Ассмана); для заме ра малых скоростей движения и теплопроводности газов, жидкостей и для ря да других целей. В качестве переменных сопротивлений без скользящего контакта в различ ных автоматических схемах слабого тока применяют термосопротивления с косвенным подогревом, обозначаемые ТКП-300, ТКП-20, что означает термосопрот ивление косвенного подогрева, в отличие от ТП – термосопротивления пря мого подогрева. Цифры указывают электросопротивление полупроводника в омах при номинальной мощности, рассеиваемое в подогреваемой обмотке. 3.2 Фотосопротивления Перевод электронов в свободное состояние или образование «дырок» в пол упроводнике может происходить не только под влиянием тепла, но и в резул ьтате воздействия других видов энергии, таких, как световая, энергия пот ока электронов, ядерных частиц. Увеличение количества свободных электр онов или «дырок» проявляется повышением электропроводности и возникно вением тока. У многих полупроводников связь между электронами и атомами настолько н езначительна, что лучистой энергии света вполне достаточно для перевод а электронов в свободное состояние. Для жёлтого света энергия фотона сос тавляет 2 электрон-вольта, а у некоторых полупроводников перевод электро нов в свободное состояние происходит под влиянием нескольких десятых д олей электрон-вольта. У таких полупроводников повышение проводимости н аблюдается даже под влиянием инфракрасной части спектра. Это даёт возмо жность обнаруживать на расстоянии многих километров излучение, исходя щее от даже слабо нагретых тел. В результате такого излучения имеет мест о небольшое повышение тока в цепи с соответственным полупроводником. Пе рвичное слабое повышение тока затем многократно увеличивается с помощ ью усилителей, иногда даже в миллион раз. Это даёт необходимый сигнал. Повышение электропроводности, вызванное светом, носит название фотопр оводимости, а основанные на этом явлении приборы называют фотосопротив лениями. Подбирают фотосопротивления в зависимости от условий облучения, в кото рых им приходится работать. Наиболее употребительные материалы для фот осопротивлений в видимой части спектра – сернистый кадмий, сернистый т аллий, сернистый висмут, а для инфракрасных лучей – сернистый, селенист ый и теллуристый свинец. Фотосопротивления широко применяют для сигнализации и автоматики, упр авления на расстоянии производственными процессами, сортировки издели й. С их помощью предупреждают несчастные случаи и аварии при нарушении х ода процесса, автоматически останавливая машины. Фотоэлектрическое устройство приходит в действие от появления или исч езновения лучей на фотосопротивлении или резкого изменения их интенси вности, например, при появлении пламени, наступлении темноты, прерывания луча. Для контроля хода процесса луч света направляют на фотосопротивление. М ежду источником света и фотосопротивлением находится или проходит «ук азатель», свидетельствующий о нормальном ходе процесса. Таким указател ем могут быть изделия, непрерывно движущиеся на конвейерной ленте. В слу чае нарушения нормального хода процесса конвейер может автоматически выключаться. Фотосопротивление используют для сортировки изделий по их окраске или размерам. В зависимости от изменения размера или окраски изделия количе ство световой энергии, попадающей на фотосопротивление, может изменять ся, а вместе с этим изменяется проводимость и ток в полупроводнике. Это да ёт возможность направлять отсортированные изделия в предназначенные д ля каждого из них места. 3.3 Термоэлементы Термоэлементы – приборы, в которых тепловая энергия непосредственно превращается в электрическу ю. Основаны они на явлении Зеебека 1 1 Шалимова К.В. "Физика полупроводников" Изд. "Энергия" 1976 , заключающемся в том, что при нагреве места спая двух разнородных м еталлов в замкнутой цепи возникает электродвижущая сила. Явление Зеебе ка используется давно для измерения температур с помощью термопар. Для п олучения электрической энергии из тепловой металлические проводники н е пригодны, так как коэффициент полезного действия (к.п.д.) термоэлементов из проволоки составляет всего 0,5%. Для этой цели используют полупроводник и, которые дают возможность непосредственно превращать тепловую энерг ию в электрическую без участия каких-либо машин. Коэффициент полезного действия термоэлемента, составленного из полупр оводников, доходит до 7-10%, т.е. находится на уровне к.п.д. таких машин, как паро возы, в которых он равен 4-8%. Термоэлементы составляют из полупроводников с р - и n -проводимостью, соедин ённых друг с другом металлической пластинкой. Конструктивное выполнен ие такого термоэлемента сходно с термоэлементом из металлических пров олок. Примером хорошей пары являются цинк – сурьма и сернистый свинец. П ри подогреве места «спая» полупроводниковых пластинок в замкнутой цеп и возникает электродвижущая сила. Соединение таких отдельных термоэле ментов в батарею даёт возможность получать постоянный ток необходимог о напряжения в 120 и более в ; мощность бол ьшинства термогенераторов ограничена несколькими десятками ватт. Неда вно создан термогенератор мощностью в 200 вт , проектируются ещё более мощные. Батареи из термоэлементов с радиальным расположением отдельных элемен тов, спаи которых сходятся в центре круга, служат для получения электроэ нергии, питающей радиоустановки, в местах отсутствия электрической эне ргии. Спаи в этом случае подогревают керосиновой лампой или керогазом. 3.4 Холодильники и нагреватели Важной особенностью, открыв ающей широкие перспективы применения полупроводников, является получе ние с их помощью холода и тепла более экономичными путями. Такое использование полупроводников основано на термоэлектрических я влениях, обратных наблюдающимся в термоэлементах. Ток, возникающий в зам кнутой цепи термоэлемента, охлаждает горячий спай и наоборот, подогрева ет холодный спай. При пропускании же тока через термоэлементы в обратном направлении выделяется тепло в горячем спае и отнимается тепло от холод ного. Один и тот же спай двух проводников при одном направлении тока нагр евается, а при другом охлаждается. Пользуясь этим, можно охлаждать возду х в холодильном шкафу, в который помещён охлаждаемый спай металла. Для эт ого в термоэлементе поддерживают температуру нагреваемого спая, близк ую к комнатной, отводя от него выделяемую теплоту в окружающую среду; при этом другой спай значительно охлаждается, а через него охлаждается и окр ужающий воздух. Применяя для этой цели полупроводники, характеризующие достаточно выс окой величиной к.п.д. термоэлемента, можно получить в холодильном шкафу н еобходимые низкие температуры. Например, полупроводники из сплавов вис мута, селена, теллура и сурьмы обеспечивают в термоэлементе разность тем ператур около 60°C, а в сконструированном с помощью таких полупроводников холодильном шкафу поддерживается температура минус 16°C. Этим же явлением можно воспользоваться и для отопления зданий. Пропуска я электрический ток через термоэлектрическую цепь, помимо обычного наг рева всего проводника, охлаждают один спай и нагревают другой, т.е. перено сят тепло от одного спая к другому. Академик А.Ф.Иоффе рассчитал, какое кол ичество тепла будет при этом выделено. От охлаждаемого спая отнимается н екоторое количество тепловой энергии Q0=бT0It , где б – термоэлектродвижущая сила, в ; T0 – абсолютная температура холодно го спая; I – величина тока , а ; t – длительность прохождения тока, сек . Соответственно в тёплом спае, абсолютную температуру которого обознач им через Т 1, выделяется тепловая энерг ия Q 1: Q1=бT1It . Эта тепловая энергия Q 1 больше теплоты Q0 , в отношении: Q 1/ Q0= Т 1/ T0 . Если ограничиться рассмотрением процесса на обоих спаях, то их можно опи сать следующим образом: электрический ток отнимает от холодного спая те плоту Q0 и передаёт теплому спаю большее количество тепла Q1 , добавляя недостающую энергию в виде электриче ской энергии W. К теплоте Q0 , отнимаемой о т холодного спая, добавляется энергия W, и сумма их Q0 +W= Q1 выделяется на тёплом с пае. Из приведенных данных о величинах Q0 и Q1 видно, что отношение затрачиваемой э лектрической энергии W к теплоте Q1 , кот орая освобождается на теплом спае, равно: W/Q1=Q1­Q0/Q1=T1­T0/T . Если абсолютная температура теплого спая Т 1=300°, что соответствует +27°C, а температура Т 0=270° или -3°C, то W / Q 1=30/300=0,1, Отсюда следует, что для передачи в тёплое помещение при температуре 2727°C100 кал тепла можно было бы использовать 90 кал , взятых от холодной среды (наприме р, от внешнего воздуха) и добавить всего 10 кал за счёт электроэнергии. Поскольку такое извлечение тепла из внешнего холодного воздуха или вод ного резервуара легко и доступно, возникает заманчивая возможность, зат рачивая всего 10% от вносимого в помещение тепла за счёт электроэнергии, от апливать помещение практически за счёт извлекаемого снаружи тепла. Но п роцесс в термоэлектрической батарее не ограничивается только выделени ем и поглощением тепла на спаях. Вдоль ветвей самой термобатареи возника ет поток тепла от теплого спая к холодному, который противодействует пер еносу тепла в обратном направлении, сопровождающему прохождение тока. К роме того, часть электрической энергии превращается в тепло в обеих ветв ях термоэлемента. В результате наличия этих двух процессов использован ие электроэнергии резко снижается; приходится добавлять не 10% электроэн ергии, а около 60%; но и такой результат представляет значительный интерес: затрата электроэнергии составляет только около половины теплоты, пост упающей в помещение, а остальная половина доставляется более холодным н аружным воздухом или проточной водой при температурах, близких к нулю. Чем меньше разность Т 1- Т 0 по сравнению с Т 1, тем выгоднее окажется термоэлектрическая батарея по сравнению с электрической печью сопротивления. Термоэлектрическая батарея обладает и другим важным преимуществом. Ес ли изменить направление тока на противоположное, то на наружных спаях на чнёт выделяться теплота Q0 , а нагревавш ие помещение спаи будут отнимать теплоту Q1 , охлаждая помещение. В жаркое время года та же термобатарея может о хлаждать воздух. Регулируя величину и направление тока в батарее, можно поддерживать в помещении одинаковую температуру при любых температура х внешнего воздуха. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Полупроводники – это сравнительно новые материалы, с помощью кот орых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвы чайно важных электротехнических задач. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиопр иемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах. Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, пере ключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройс тв, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность. В настоящее время насчитывается свыше двадцати различных област ей, в которых с помощью полупроводников разрешаются важнейшие вопросы э ксплуатации машин и механизмов, контроля производственных процессов, п олучения электрической энергии, усиления высокочастотных колебаний и генерирования радиоволн, создания с помощью электрического тока тепла или холода, и для осуществления многих других процессов. Литература 1. Д.А.Браун.-Новые материалы в технике. -Издательство ЅВысшая школаЅ, М.- 1965,194с. 2. А.с . 281651 СССР МПК Н 01 5/00. Полупроводниковый генератор/ Б.С.Муравский. В.И.Куз нецов. Заявл. 03.12.68., Опублик. 21.03.73. Бюл.N7. 3. Кнаб О.Д. БИСПИН - новый тип полу проводниковых приборов// Электронная промышл енность. 1989. N8 4. Шалимова К.В. "Физика полупровод ников" Изд. "Энергия" 1976 5. Степаненко И.П. Основы теории транзис торов и транзисторных схем./Москва, Энергия, 1973. 6. Му равский Б.С. Черный В.Н. Яманов И.Л. Потапов А.Н. Жужа М.А. Неравновесные элект ронные процессы в транзисторных структурах с туннельно-прозрачным окислом //Микроэлектроника. 1989. т.1 7. Муравский Б.С. Кузнецов В.И. Фриз ен Г.И. Черный В.Н. Исследо- вание кинетики пове рхностно-барьерной неустойчивости тока.// Физика и техника п олупроводников. 1972. т.6. N11 8. Стриха В.И. Теоретические основ ы контакта металл-полупрово- дник.// Киев. "Наукова д умка", 1974. 9. А.с. 1438537 СССР, МКИ Н01L 29/42 Поверхностн о-барьерный ге- нератор/ Б.С.Муравски й, А.Н.Потапов, И.Л.Яманов. Заявл. 30.12.86. 10. Бессарабов Б.Ф., Федюк В.Д., Федюк Д.В., Диоды, тиристоры, транзисторы и микрос хемы широкого применения. Справочник. / Воронеж. ИПФ "Воронеж" 1994.