3 семестр ЭКТ / Физика. Оптика / Методические материалы и лекции / лекции по физике

ных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупроводника к p-полупроводнику (рис. 201, a), то есть совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике от границы p-n-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивле-

ние возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через p-n-переход практически не прохо-

дит. Ток в запирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в p-полу- проводнике и дырок в n-полупроводнике).

Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 201, б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике к границе p-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь p-n-переход в направлении от p-полу- проводника к n-полупроводнику; оно называется пропускным (прямым).

а) n-тип Ек p-тип б) n-тип Ек p-тип

+ + + – – –

+

–

+ + + – – –

+

–

+ + + – – –

+

–

+

–

–

+

Е

Е

Рис. 201. p-n-переход

Таким образом, p-n-переход (подобно на контакте металл-

полупроводник) обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

На рис. 202 представлена вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Как уже указывалось, при пропускном (прямом) напряже-

281

нии внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к границе p-n-перехода (рис. 201, б). В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода (тем сильнее, чем больше напряжение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 202). Это направление тока называется прямым.

I

Прямой

ток

U

Обратный

ток

Рис. 202. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе p-n-перехода (рис. 201, а) и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного основными носителями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Поэтому в данном случае через p-n-переход протекает только небольшой ток (он называется обратным), полностью обусловленный неосновными носителями тока (рис. 202, левая ветвь). Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь переменного тока p-n-переходы действуют как выпрямители.

8.9. Полупроводниковые диоды и триоды

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электроннодырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлек-

тродной лампы – диода. Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один p-n-переход, называется полупроводниковым (кри-

сталлическим) диодом. Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные.

282

В качестве примера рассмотрим точечный германиевый диод (рис. 203), в котором тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к n-германию 2 остриём, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия Аl в Gе и образуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий p-проводимостью. На границе этого слоя образуется p-n-переход, обладающий высоким коэффициентом выпрямления. Благодаря малой ёмкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колебаний.

1

2

Рис. 203. Точечный германиевый диод

Принципиальная схема плоскостного меднозакисного (купоросного) выпрямителя дана на рис. 204. На медную пластину с помощью химической обработки наращивается слой закиси меди Сu2О, который покрывается слоем серебра. Серебряный электрод служит только для включения выпрямителя в цепь. Часть слоя Сu2О, прилегающая к меди и обогащённая ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Сu2О, прилегающая к Ag и обогащенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом, – дырочной проводимостью. Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от Сu2О к Сu (p n).

Ag

Cu2O

Cu

Рис. 204. Принципиальная схема плоскостного меднозакисного выпрямителя

Рассмотренные диоды обладают рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к.п.д. и срок службы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чув-

283

ствительны к температуре, поэтому интервал их рабочих температур ограничен (от –70 до +120°С). p-n-переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов (первый транзистор создан в 1949 г. американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли; Нобелевская премия

1956 г.).

Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50–80 °С). Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-n-р и типа n-р-n в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.

Рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-n-р, то есть триода на основе n-полупроводника (рис. 205). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов – металлических проводников. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором – постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивление Rвх, а усиленное – снимается с выходного сопротивления Rвых.

Эмиттер База Коллектор

	р	n	р
Uвх	Rвх		Rвых	Uвых
	+ –	+	–

Бэ Бк

Рис. 205. Схема триода на основе n-полупроводника

284

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их «впрыскиванием» – инжекцией – в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), вследствие чего изменяется ток коллектора. Следовательно, вся-

кое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении – переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств р-n-переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Бк. Обычно Rвых >> Rвх, поэтому Uвых значительно превышает входное напряжение Uвх (усиление может достигать 10000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в Rвых, может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзистор даст и усиление мощности. Эта усиленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора. Таким образом, транзистор, подобно электронной лампе, даёт усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анод-

ный ток управляется напряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодному току лампы, управляется напряжением на базе.

Принцип работы транзистора n-p-n-типа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существуют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благодаря своим преимуществам перед электронными лампами (малые габаритные размеры, большие к.п.д. и срок службы, отсутствие накаливаемого катода (поэтому потребление меньшей мощности), отсутствие необходимости в вакууме и т. д.) транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ.

285

9.Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц

9.1.Состав атомных ядер. Изотопы, изобары и изотоны

К20-м годам XX века физики уже не сомневались в том, что атомные ядра, также как и сами атомы, имеют сложную структуру. В этом их убеждали многочисленные экспериментальные факты, накопленные

кэтому времени: открытие радиоактивности, экспериментальное доказательство ядерной модели ядра, измерение отношения e / m для элек-

трона, -частицы и для H-частицы – ядра атома водорода, открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций, измерение зарядов атомных ядер и так далее.

В настоящее время установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из двух частиц – протонов и нейтронов.

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в опытах Дж. Томсона (1907 г.), которому удалось измерить у нее отношение e / m. В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер. Схема опытов Резерфорда представлена на рис. 206 (К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп).

Рис. 206. Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер

Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры, в которой был расположен контейнер К с источником α-частиц. Окно камеры бы-

286

ло закрыто металлической фольгой Ф, толщина которой была подобрана так, чтобы α-частицы не могли через неё проникнуть. За окном располагался экран Э, покрытый сернистым цинком. С помощью микроскопа М можно было наблюдать сцинтилляции в точках попадания на экран тяжелых заряженных частиц. При заполнении камеры азотом при низком давлении на экране возникали световые вспышки, указывающие на появление потока каких-то частиц, способных проникать через фольгу Ф, практически полностью задерживающую поток α-частиц. Отодвигая экран Э от окна камеры, Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась приблизительно равной 28 см, что совпадало с оценкой длины пробега H-частиц, наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном. Исследования действия на частицы, выбиваемые из ядер азота, электрических и магнитных полей показали, что эти частицы обладают положительным элементарным зарядом и их масса равна массе ядра атома водорода. Впоследствии опыт был выполнен с целым рядом других газообразных веществ. Во всех случаях было обнаружено, что из ядер этих веществ α-частицы выбивают H-частицы или протоны.

Положительный заряд протона в точности равен элементарному

заряду

e = 1,60217733·10–19 Кл,

то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10–22. Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остаётся одной из фундаментальных зага-

док современной физики. Масса протона равна mp = 1,67262·10–27 кг.

В ядерной физике массу частицы часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равной 1/12 массы атома углерода с массовым

числом 12:

1 а. е. м. = 1,66057·10–27 кг.

Следовательно, mp = 1,007276 а. е. м. Во многих случаях массу час-

тицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = m∙c2. Так как 1 эВ = 1,60218·10–19 Дж, в энергетиче-

ских единицах масса протона равна 938,272331 МэВ.

Спин протона / 2 .

Таким образом, в опыте Резерфорда было открыто явление расщепления ядер азота и других элементов при ударах быстрых α-частиц и показано, что протоны входят в состав ядер атомов.

После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят из одних протонов. Однако это предположение оказа-

287

лось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в со-

став ядер входили одни протоны. Для более тяжелых ядер это отношение оказывается меньше, чем для легких, то есть при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд.

В 1920 г. Резерфорд высказал гипотезу о существовании в составе ядер жестко связанной компактной протон-электронной пары, представляющей собой электрически нейтральное образование – частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Он даже придумал название этой гипотетической частице – нейтрон. Это была очень красивая, но, как выяснилось впоследствии, ошибочная идея. Электрон не может входить в состав ядра. Квантово-механический расчёт на основании соотношения неопределенностей показывает, что электрон, локализованный в ядре, то есть области размером R ≈ 10–13 см, должен обладать колоссальной кинетической энергией, на много порядков превосходящей энергию связи ядер в расчете на одну частицу. Идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться поиском такой частицы. Через 12 лет в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия α-частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон. На рис. 207 приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.

Рис. 207. Схема установки для обнаружения нейтронов

При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием, возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть слой свинца толщиной в 10–20 см. Это излучение

288

почти одновременно с Чедвиком наблюдали супруги Жолио-Кюри Ирен

иФредерик (Ирен – дочь Марии и Пьера Кюри), но они предположили, что это γ-лучи большой энергии. Они обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко возрастает. Они доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина протоны, которые в большом количестве имеются в этом водородосодержащем веществе. По длине свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ-квантов, способных при столкновении сообщить протонам необходимую скорость. Она оказалась огромной – порядка 50 МэВ.

Дж. Чедвик в 1932 г. выполнил серию экспериментов по всестороннему изучению свойств излучения, возникающего при облучении бериллия α-частицами. В своих опытах Чедвик использовал различные методы исследования ионизирующих излучений. На рис. 208 изображен счетчик Гейгера, предназначенный для регистрации заряженных частиц. Он состоит из стеклянной трубки 1, покрытой изнутри металлическим слоем (катод) 2, и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод) 4. На рис. 208 вывод катода – 3. Трубка заполняется инертным газом (обычно аргоном) при низком давлении. Заряженная частица, пролетая в газе, вызывает ионизацию молекул. Появившиеся в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом

икатодом до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока.

3

1

2

4

Рис. 208. Схема стеклянного счётчика Гейгера-Мюллера

Другим важнейшим прибором для исследования частиц является так называемая камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след (трек). Траекторию частицы можно наблюдать непосредственно или фотографировать. Действие камеры Вильсона, созданной в 1912 г., основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. С помощью камеры Вильсона можно наблюдать искривление траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях. На рис. 209 приведён снимок ядерной реакции 14N (α, р) 17О,

289

зарегистрированной в камере Вильсона. На снимке видны следы бомбардирующих α-частиц (линии, направленные снизу вверх), а также образующие вилку следы продуктов реакции – протона и ядра 17О.

Рис. 209. Снимок ядерной реакции зарегистрированной в камере Вильсона

Дж. Чедвик в своих опытах наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. На основании этих опытов он сделал оценку энергии γ-кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Она оказалась равной 100–150 МэВ. Такой огромной энергией не могли обладать γ-кванты, испущенные бериллием. На этом основании Чедвик заключил, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а достаточно тяжелые частицы. Поскольку эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, следовательно, они были электронейтральны. Так было доказано существование нейтрона – частицы, предсказанной Резерфордом более чем за 10 лет до опытов Чедвика.

Нейтрон – это элементарная частица. Её не следует представлять в виде компактной протон-электронной пары, как первоначально предполагал Резерфорд.

Масса нейтрона

mn = 1,67493·10–27 кг = 1,008665 а. е. м.

В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ. Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона.

290