Транзистор

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТРАНЗИСТОР

Тимофей Гуртовой

О работе транзистора физика существующая

Вера в какие-то чудотворные возможности материалов из полупроводников, и особенно термоэлектрических, а это именно она способствовала появлению и столь длительной жизни Бабьегородского «чуда», возникла на почве дефицита знаний, в этой области. Для полного избавления от подобной веры, и, чтобы должным образом разобраться с феноменом завода «Сантехника», необходимо не только познакомиться со всеми явлениями и эффектами, но и понять их подлинную физическую сущность. Однако, к большому сожалению, существующая физика полупроводников такой возможности не дает. Потому, что эта физика не достаточно физична. А в отдельных случаях просто некорректна. Свидетельств тому немало. Вот лишь некоторые.

Транзистор, как известно, имеет два контактных перехода. Один - эмиттер-база, постоянно открытый (рис. 1), пропускной для тока. Другой - коллектор-база, постоянно закрытый и открывается только при наличии тока в первом переходе.

Но существующее объяснение процесса весьма проблематично. Совершенно непонятно, каким образом наличие тока эмиттерного перехода открывает переход коллекторный. Оно (объяснение) его только больше запутывает, не внося ясность в этот, не совсем простой вопрос. Вот пример подобного объяснения. Он позаимствован из одного вузовского учебника физики и, наиболее просто изложен.

 А - переход эмиттер - база. База (основание) Б - переход коллектор - база.

А Б

Э n + - p - + n К

+ - - +

Ge + - In - + Ge

+ - - +

I_Б. I_К. R_Н.

U_Э. U_К

- + - +

Рис. 1

«В цепи эмиттера электроны под действием напряжения U_Э будут переходить через переход А из эмиттера в основание (рис 1). Основание - это очень тонкий слой кристалла, такой, что расстояние между переходами А и Б составляет 10ч20 мкм. Поэтому электроны, переходя в основание, рекомбинируют с дырками только в небольшой части, образуя ток Й_Б в цепи эмиттер-база. Основная часть электронов проходит базу насквозь и достигает коллекторного перехода Б, который заперт и не пропускает ток от источника U_К, в коллекторной цепи. Электроны эмиттера, попадя в этот переход, уменьшают его сопротивление, т. е. отпирают его в той или иной мере, и в цепи коллектора, т. е. под действием напряжения U_К появляется ток I_К, тем больший, чем больше электронов попадет в коллекторный переход. Это количество электронов зависит от напряжения U_Э, приложенного к цепи эмиттер-база. Таким образом, можно сказать, что ток в цепи коллектора управляется напряжением, приложенным к цепи эмиттер - база».

Как видно из объяснения, электроны собственного источника U_К (порядка 10ч50 В) открыть коллекторный переход не в состоянии. А вот электроны источника U_Э (порядка 1ч2 В), не имеющие совершенно никакого отношения к этому переходу, и вообще к цепи U_К, умудряются все же открыть его. Причем, как утверждается, воздействуя на один и тот же переход, и в том же, что и электроны источника U_К направлении, т. е. со стороны базы. Получается, что электрон источника U_Э - это электрон особый. Способный самостоятельно, независимо от направленности электрического поля своего источника U_Э, выбирать путь иной, далеко не ближний. Вместо того, чтобы выполнить закон, установленный для него матушкой Природой, по кратчайшему пути вернуться к своему источнику. Свободно путешествуя, этот электрон, которому закон не писан, даже проникает через запертый переход, что не позволено электронам иным (например, электронам источника U_К). Необычный электрон явно использует метод барона Мюнхгаузена. Подобную физику корректной не назовешь!

Почти по Мюнхгаузену

В конце ХVIII века Вольта открыл контактную разность потенциалов. Наиболее кратко о ней сказано в пятом томе Большой Советской энциклопедии, при перечислении заслуг итальянского физика-физиолога: - «Вольта открыл взаимную электризацию разнородных металлов при их контакте…».

Итак, причиной этого удивительного явления считается электризация. Происходит она якобы по причине диффузии электрических зарядов. Последнее же, в свою очередь, полагается следствием разной по величине работы выхода электронов из атома (молекулы).

«Необходимость существования контактной разности потенциалов вполне очевидна - она должна возникать, если только работа выхода электронов у соприкасающихся тел различна. Электроны тела, у которого работа выхода меньше, расположены на более высоком энергетическом уровне. Таким образом, создаются условия для перехода электронов из первого тела во второе. Этот переход сопровождается образованием положительного заряда на первом теле и отрицательного - на втором».

Так объясняется сущность процесса возникновения контактной разности потенциалов, в одном из учебников физики для ВУЗов. Все логично, если считать, что барон Мюнхгаузен действительно мог вытащить, сам себя за волосы, из болота. Почему электроны одного тела должны самопроизвольно перескакивать в другое, даже, если работа их выхода будет малой? Ведь на их выход нужно затратить определенную энергию. Само же присоединение одного тела к другому, никакой энергии в соединение не вносит. Более того, это описание возникновения разности потенциалов, в месте контакта, противоречит практике. Некоторые пары ведут себя не так, как это предсказывает вышеизложенная теория. Так пара Bi-Cu по теории вообще не должна была бы давать контактной разности потенциалов. Поскольку и тот, и другой материалы имеют одну и ту же работу выхода _?Е = 4,4 эВ. А они дают - и довольно большую разность потенциалов U_к = 0,56 В. Подобной «аномалией», назовем ее первого рода, обладает и пара Si-Sb, дающая контактную разность U _к = 0,33 В.

В случае пары Bi-Sb, возникает «аномалия» второго рода. Согласно принятой теории, отрицательной, в этой паре, должна была бы быть сурьма. У нее работа выхода электрона больше, чем у висмута. Однако опыт показывает, что происходит обратное. Отрицательным, в этой паре, является висмут. И пар с подобными «аномалиями» немало.

Существующая теория противоречит практике. Значит, эта модель возникновения контактной разности потенциалов ложна и никуда не годна. Как же быть? Можно, несколько скорректировав теорию, модель подправить. То есть использовать опыт существующей квантовой механики, применив соответствующий принцип дополнительности. Правда, подобная мера, как показала практика, к пониманию теории так и не привела. А с открытием закона Корпускулярной дифракции электронов, необходимость в ней и вовсе отпадает. К тому же смысла нет корректировать эту теорию, при таком количестве противоречий.

Работа выхода электрона - это количественная характеристика внутренних связей в атоме (молекуле). И какой бы малой эта работа ни была, для того, чтобы высвободить электрон из «плена» атома (молекулы), все же нужно затратить какую-то энергию. Примером тому фото- и термоэлектронная эмиссия, и электризация трением. Далее, чтобы обеспечить переход, вырванного из атома электрона, из одного материала во второй, опять же требуются энергетические затраты. Потому, что это уже электрический ток, а он, как установлено, возникает под воздействием ЭДС. Причем, энергию должен затрачивать сторонний источник, как в первом случае, так и во втором. И исключительно, в виде электрического или электромагнитного поля. Роль же подобного стороннего источника энергии, не может быть приписана тому обстоятельству, что электроны в разных атомах находятся на различных энергетических уровнях. Допуская обратное утверждение, мы приписываем электрону свойство самостоятельно, и произвольно изменять собственную кинетическую энергию. Что равносильно признанию возможности существования вечного двигателя.

Причин для диффузии зарядов, как видно, нет. Значит, нет и самой их диффузии. Известно, что для возникновения контактной разности потенциалов достаточно привести в соприкосновение, хорошо зачищенные от загрязнения поверхности двух металлов или полупроводников (паять или варить не обязательно). Если бы существовала диффузия зарядов, то при потере контакта, прекращении соприкосновения, приконтактные заряды, растекаясь, распределились бы по всему телу и оба тела оказались бы слегка противоположно заряженными (случай конденсатора). Чтобы оба тела оказались бы заряженными до величины контактной разности потенциалов, необходимо было бы сделать не одно касание. И, чем меньше контактирующая поверхность и больше емкость контактирующих тел, тем большее количество касаний необходимо было бы нужно сделать. Однако такой зависимости не наблюдается. Оказывается, если параллельно предполагаемому контактному переходу подсоединить конденсатор и затем контактирующие поверхности привести в соприкосновение, то независимо от величины поверхности контакта и емкости конденсатора, достаточно одного и даже кратковременного касания, чтобы конденсатор зарядился до величины ЭДС контактного перехода. Этот пример подтверждает опыт Вольты, который лежит в основе компенсационного метода, применяемого при измерении контактной разности потенциалов. И доказывает что место контакта такой же источник ЭДС, как и любой другой.

Говорят - опыт критерий истины. Верно, но подтверждает он только истинность полученных результатов. Выводы же делает человек. Но даже гении - люди и ничто человеческое им не чуждо. Понимание вышеприведенного опыта Вольты, в качестве подтверждения диффузии зарядов, ошибочно. Сегодня, благодаря новому открытию, явление контактной разности потенциалов, наконец, нашло верное объяснение. Которое не требует никаких условностей и допущений, полностью основываясь только на том, что дает опыт.

Закон Потенциальной Градации материи

Экспериментально установлено: ни атомы, ни молекулы материальных тел, по своей природе, не являются электрически нейтральными. И вообще, все объекты микромира, микрообразования обладают определенным поверхностным электрическим потенциалом, изначально.

Величина поверхностного потенциала атома (молекулы) определяется следующей, математически приведенной, зависимостью, которая представляет закон Потенциальной Градации материи (описание эксперимента и вывод закона, в Приложении [2]).

Ш

Ц_п = ---- , (2)

R³

Где Ц_п - поверхностный потенциал, в Вольтах;

R - радиус атома (молекулы), в ангстремах;

Ш = 1,8266 В·м³ - потенциальная постоянная (произведение совокупности только фундаментальных постоянных).

В основе контактной разности потенциалов и лежит свойство микроструктуры материальных тел иметь свой собственный поверхностный электрический потенциал. Её величина определяется разностью поверхностных электрических потенциалов микроструктуры контактирующих веществ.

В случае непосредственного, плотного контакта между материалами с микроструктурой разной величины поверхностного потенциала, величина контактной разности потенциалов, будет:

R³_б ? R³_м

U_к = Ц_б ? Ц_м = Ш -------- , (3)

R³_б Ч R³_м

где Ц_б и R_б - большие, потенциал и радиус, соответственно;

Ц_м и R_м - меньшие, потенциал и радиус, соответственно.

Благодаря разному уровню поверхностных электрических потенциалов микроструктуры материалов, в месте контакта возникает ЭДС (электродвижущая сила). Эта ЭДС в электрической цепи и совершает работу над носителями, преодолевающими контактный переход, либо ускоряя их движение (пополняя их энергию за счёт внутренней энергии контактирующих тел перехода, охлаждая его), либо тормозя их (отбирая у них энергию и нагревая переход), или, вообще, переход запирая. Этот принцип лежит в основе работы всех полупроводниковых приборов.

С открытием закона Потенциальной градации материи, физика полупроводников становится более физичной и более понятной. А главное, совершенно исключает противоречия, которых так много в существующей теории полупроводников.

В подтверждение сказанного, обратимся снова к контактной паре германий - индий (германиевый диод), но теперь с позиций открытого закона.

Радиус атома германия R_Ge = 0,139 нм = 1,39 Е. Радиус атома индия R_Jn = 0,166 нм = 1,66 Е. Атом германия, имея меньший радиус, более положителен, чем атом индия. Значит, в этой паре индий будет относительно отрицательным, а германий - относительно положительным. Что и соответствует реальной рабочей позиции этой пары, в полупроводниковом диоде (рис. 6.VЙЙ), и в других приборах, где эта пара присутствует. Теперь не требуется придумывать и внедрять в теорию полупроводников, совершенно некорректную идею диффузии зарядов.

Контактную пару можно составить и из материалов с коэффициентами Холла одной полярности (одной проводимости). Разность потенциалов будет и в такой паре, если атомы будут иметь разную геометрию. В связи с этим, обозначение перехода n-p приобретает иной смысл. Это обозначение следует воспринимать как то, что контактирующие материалы, ими обозначенные, имеют только относительно отрицательную (n) и относительно положительную (p) полярность. Поскольку тип проводимости, обусловленный полярностью коэффициента Холла, на полярность материала в паре, не влияет (влияет только на количественное выражение разности потенциалов). Поэтому материалы различной проводимости удобнее именовать без обозначения их символами n и p, просто указывая, что применяемый материал электронной проводимости или материал проводимости позитронной. Существующее название положительного носителя тока - «дырка», имеет смысл так же заменить названием «позитрон».

Электрический ток (момент возникновения [4]) - это не сплошной поток носителей, а непрерывный только переход их от атома к атому в токонесущем материале, в цепи. И за время перехода позитрон, как частица, не успевает исчезнуть, распавшись. Поэтому в электрической цепи, составленной из материалов разной проводимости (различной полярности коэффициентов Холла) одновременно могут существовать и положительные (позитроны), и отрицательные (электроны) носители тока.

В заключение, приведем пример расчета величины контактной разности потенциалов для пары Bi-Cu и посмотрим, в какой мере закон Потенциальной градации материи согласуется с практикой.

Радиусы атомов: висмута - R_Bi = 1,82 Е, меди - R_Cu = 1,28 Е.

Ш 1,8266

Ц_Cu = ---- = -------- = 0,871 B;

R³_Cu 2,0972

Ш 1,8266

Ц_Bi = ---- = -------- = 0,303 В.

R_Bi 6,0286

И контактная разность потенциалов, будет:

U_к = Ц_Cu ? Ц_Bi = 0,871 ? 0,303 = 0,568 В.

Величина контактной разности потенциалов Bi - Cu, определенная опытным путем, равна U_к = 0,56 В, что подтверждает полное согласие теории с практикой.

Работа контактного перехода

Контактный переход, как уже было сказано, обладая разностью потенциалов, представляет собой источник ЭДС. Его энергия - это энергия внутриконтактного электрического поля, обусловленная энергией микроструктуры контактирующих тел - их внутренняя энергия. Значит, если каким-либо образом изменяется энергия внутриконтактного поля, то, в таком же направлении, происходит и изменение внутренней энергии тел, в месте контакта. Например, если энергия отбирается, то место контакта охлаждается (уменьшается амплитуда осцилляций их микроструктуры [3]). Если энергия добавляется, то место контакта нагревается (амплитуда осцилляций микроструктуры возрастает [3]).

Включенный в электрическую цепь контактный переход, своим внутриконтактным полем, производит определенное действие на поток носителей электрического тока, преодолевающих этот контактный переход. В одном случае электрическое поле контактного перехода ускоряет их движение. Это, когда движение отрицательных носителей направлено против направленности поля и движение положительных - направлено по направленности поля. В другом случае - оказывает тормозящее действие. Если отрицательные носители движутся по направленности поля и положительные - против него. При ускорении носителей внутриконтактным полем, энергия контактного перехода ими поглощается. А так как в этом случае тратится внутренняя энергия тел, образующих контактный переход, то в его зоне происходит понижение температуры. При торможении носителей внутриконтактным полем, наоборот, в контактном переходе энергия ими выделяется. Происходит нагрев контактного перехода.

Свойство контактного перехода либо нагреваться, либо охлаждаться, при прохождении через него тока, т. е. его термоэлектрическое свойство, проявляется в любом случае контакта токопроводящих материалов. Однако эти свойства могут быть и слабо выражены, и выражены значительно. Зависит это от структуры материала. Повышенными свойствами производить термоэлектричество обладают контактные переходы, образованные полупроводниками с полумягкой связью в атомах (молекулах). Особенность таких материалов: - большие токи в цепях и большие температуры в создаваемых ими контактных переходах, и работа в условиях малых напряжениях. Используются такие материалы в термогенераторах, для производства электрической энергии, в тепловых насосах кондиционеров и холодильников.

В контактных переходах, образованных полупроводниками с полужесткой связью в атомах (молекулах), термоэлектрические свойства выражены слабо, но зато они могут работать в условиях больших напряжений. Последнее условие позволяет применять их в качестве вентилей, в различных выпрямительных устройствах. Материалом в этих случаях служит германий и кремний. В большей степени вентильные свойства контактных переходов, образованных этими материалами, проявляются, когда они контактируют с материалами противоположного изменения геометрии атомов. Для германия, например, такой парой является индий.

Чтобы понять и уяснить работу контактного перехода в вентильном режиме, обусловленную законом Потенциальной градации материи, рассмотрим физику контактной пары германий-индий, представляющую собой германиевый диод.

Атомы германия, изначально, имеют меньшие радиусы, нежели атомы индия. Поэтому германий, в этой паре, будет относительно положительным, т. е. материалом р-типа. Атомы индия, изначально, имеют большие радиусы, и в паре с германием, индий будет материалом n-типа. Поэтому внутриконтактное поле Ек_1,2. пары, как источника для внешней цепи, будет направлено от индия к германию (рис. 2 а, б, внизу).

 - О хол. О + - О гор. О +

носители

Ge + - In Ge + - In

а б

p Iк_1.max. n p Йк₂ ? 0 n

Rнагр. Rнагр.

Еист. Еист.

- + + -

Ш Ш Ш Ш

Ек₁. 0 Ек₂ .= Еист

Ge In Ge In

Рис. 2 Вентильный режим работы контатного перехода Ge-In, согласно закону Потенциальной Градации материи

Практика показывает, что ток, через контактный переход германий-индий Iк₁, проходит только в направлении от индия к германию (рис. 2а). В обратном направлении переход заперт. Происходит это таким образом.

В первом случае (рис. 2а) внутриконтактное поле Е_к1, будучи направленным, в ту же сторону, что и поле внешнего источника, не препятствует протеканию тока в цепи, но и не увеличивает его. Энергия внутриконтактной ЭДС, в этом случае, автоматически уменьшается до нуля, поскольку полностью переходит к электронам, преодоляющим переход. Способствует тому ток I_к1, протекающий через этот контактный переход. Отрицательные, носители (-) этого тока движутся против поля перехода, положительные (+) - по полю. При такой направленности их движения, внутриконтактное поле энергию им отдаёт. Контактный переход, отдавая энергию, охлаждается. Что, в свою очередь, приводит к изменению геометрии атомов в зоне контакта. Радиусы атомов германия изначально относительно малые, при охлаждении увеличиваются. Атомы индия изначально относительно большие, при охлаждении уменьшаются (рис. 2, внизу). Разница в размерах атомов, в зоне перехода, стремится к нулю. Это уменьшает разность потенциалов в контактном переходе, приводя ее, почти, к нулю Е_к1 ? 0.

Во втором случае (рис. 2б), когда диод напряжением источника заперт, внутриконтактное поле Е_к2 будет направлено против поля внешнего источника тока. Что равносильно внесению в цепь реактивного сопротивления, которое автоматически возрастает до величины напряжения внешнего источника. Способствует этому, как и в первом случае, протекающий в цепи ток - I_к2. Ток весьма слабый, направлен против направления поля контактного перехода, поэтому именуется обратным током. При такой направленности носителей электрического тока, они будут тормозиться полем контактного перехода, и отдавать свою энергию полю перехода. Зона контактного перехода станет нагреваться и радиусы атомов, его образующие, изменятся. Но теперь в другом направлении. Атомы германия, и так малые, уменьшатся еще больше. Атомы индия - большие, увеличатся еще больше. Возросшая разница в геометрии атомов в зоне контактного перехода приведет к возрастанию величины противо-ЭДС, до напряжения внешнего источника Ек₂ = Еист. Что будет надежным препятствием прохождению рабочего тока, в этом направлении.

После того, как стала понятна работа полупроводникового диода, не сложно разобраться и в процессах, происходящих при работе транзистора.

О работе транзистора физика рациональная

Транзистор - это полупроводниковый прибор, состоящий из двух, последовательно включенных, навстречу одна другой, полупроводниковых пар германий-индий, представляющих, и конструктивно, и физически обычные диоды. Вентильные переходы, именуются эмиттерный и коллекторный. Коллекторный переход, как говорят, заперт напряжением своего источника U_К. (рис. 3) и это верно. Отпирается он, как считают, током эмиттерного перехода, а это уже не верно.

Ток эмиттерного перехода, действительно, управляет работой коллекторного перехода, однако посредством термоэффекта, возникающего в эмиттерном переходе.

Электрические источники эмиттерной (входной) цепи прибора, внешний - U_Э и внутриконтактный - Ек.эм., включены последовательно и переход открыт. Носители тока, отбирая тепло, охлаждают переход. Через тонкий слой индия охлаждается и коллекторный переход. Чем тоньше слой индия, тем лучше работа транзистора.

Электрические источники коллекторной (выходной) цепи прибора, внешний - U_К. и внутриконтактный - Ек.кол., включены встречно и коллекторный переход закрыт. Слабый обратный ток коллектора, подогревая переход, компенсирует холод, поступающий от эмиттерного перехода, поддерживая переход в закрытом состоянии. Открыть коллекторный переход можно, только понизив его температуру.

транзистор потенциальный градация материя

Прямой ток - I_Б I_К обратный ток

Э p + - n - + p K

+ - холод - +

+ - - +

Ge + - In - + Ge

Хол. Ек.эм Ек.кол. Гор. R_Н.

U_Э. U_К.

- + - +

Рис. 3 Работа германиевого транзистора, согласно закону Потенциальной Градации материи

Поскольку источник тока эмиттерного перехода U_Э. включен так, что носители тока, в этой цепи, контактным переходом ускоряются то, за счет отбора ими энергии, переход охлаждается. А так как толщина слоя индия, представляющего основание (базу) очень мала, одновременно происходит понижение температуры и перехода коллекторного. Что приводит к изменению радиусов атомов материалов контактирующей коллекторной пары. В данном случае процесс направлен на выравнивание величин радиусов. Контактная разность потенциалов уменьшается. Величина ЭДС коллекторного перехода, направленная против напряжения его источника падает и обратный ток перехода растёт. Он-то и будет рабочим током коллекторной цепи I_К. (рис. 3) Таким образом, управление коллекторным током действительно осуществляется током эмиттерного перехода, но только через, вызываемый им, термический эффект. Поэтому, чтобы полупроводниковые усилители тока хорошо работали, необходимо их термостатировать.

Библиография

1. Гуртовой Т. А. Мы не одиноки во Вселенной. Иркутск 1998 г.

2. Сатаева О, Афанасьев Т. КТО МЫ И ОТКУДА? /О. Сатаева, Т. Афанасьев. //Размышления, подкреплённые материалом из монографии «Мы не одиноки во Вселенной», 1-е изд. Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007. 208 с.

3. МАТЕРИЯ НАЧИНАЕТСЯ С ВИХРЕВОГО СГУСТКА ПЕРВОМАТЕРИИ, статья [word], 13.03.2011.

4. ФИЗИКА СХЕМЫ АВРАМЕНКО, статья [word], 25.08.2009.

Размещено на Allbest.ru

...