1. Опыт Хейнса — ШоклиВ современной физике существует раздел термоэлектрических явлений и раздел изучающий полупроводниковый диод.
Обе теории идут каждая своей дорогой и успели накопить противоречия.
В то же время, теория полупроводникового диода, разработанная Шокли в 1949 году является неверной, так, как в ней Шокли полностью игнорировал термоэлектрические явления.
Нуждается ли полупроводниковый диод в термоэлектрической теории?
В 1948 году Шокли совместно с Хейнсом опытным путём доказали существование «неосновных» носителей заряда – так называемых «дырок».
Сегодня этот эксперимент выглядит как классический. Но корректно ли он был поставлен?
И ещё более важный вопрос: корректно ли он был объяснён?
Объясняя эксперимент Хейнса, Шокли не упомянул ни одного термоэлектрического явления, присутствующего в этом эксперименте.
А были ли термоэлектрические явления в опыте Хейнса-Шокли?
Описание опыта из WIKI:
Опыт Хейнса — Шокли — классический физический эксперимент, впервые доказавший существование тока неосновных носителей (дырочной проводимости в полупроводнике n-типа) в полупроводниках и позволивший измерить основные свойства дырок — скорость дрейфа и скорость диффузии.
Опыт был поставлен Ричардом Хейнсом в лаборатории полупроводников Bell Labs в феврале 1948 года и теоретически объяснён Уильямом Шокли. Статья Хейнса и Шокли с описанием опыта была опубликована в 1949 году в Physical Review.
Рис.1.Установка для проведения опыта Хейнса, 1948
Описание эксперимента
В своём первом опыте Хейнс использовал стержень из германия с электронным типом проводимости длиной 25 мм и поперечным сечением около 8 кв.мм. Концы стержня были подключены к батарее, порождавшей в стержне ток электронов (справа налево, из минуса — в плюс). Левый по схеме скользящий контакт-зонд (аналог эмиттера точечного транзистора) был подключен к генератору коротких импульсов тока положительной полярности, правый контакт-зонд (аналог коллектора) был подключен к осциллографу, синхронизируемому генератором в ждущем режиме.
Если бы стержень был изготовлен не из полупроводника, а из металла, то в нём бы протекал только ток электронов, и наблюдаемый на экране осциллографа импульс совпадал бы по времени с импульсом тока генератора. Но в эксперименте с германиевым стержнем на экране осциллографа наблюдалось два импульса. Первый из них, узкий импульс тока замыкания, совпадал по времени с передним фронтом импульса генератора, второй (импульс дырочного тока) значительно отставал от импульса генератора и имел размытую, колоколообразную форму. Задержка и ширина второго импульса увеличивались с ростом расстояния между зондами.
Рис.2.Форма сигнала на зонде-коллекторе. Узкий первый импульс совпадает по времени с передним фронтом импульса генератора.
При изменении полярности батареи второй (размытый) импульс не наблюдался.
Шокли объяснил увиденное тем, что эмиттер инжектирует в стержень не электроны, а дырки. Инжектированные дырки дрейфуют в сторону отрицательного полюса батареи (вправо) со скоростью, прямо пропорциональной напряжённости поля в полупроводнике. Время дрейфа между двумя зондами пропорционально расстоянию между ними. Одновременно, хаотичные тепловые перемещения дырок (диффузия) приводят к размыванию формы импульса. За время дрейфа группы инжектированных дырок между двумя зондами «она может распространиться по всему поперечному сечению образца и вдоль него на величину, кратную нескольким его диаметрам». При изменении полярности батареи дырки движутся в сторону, противоположную коллектору (влево от эмиттера) — поэтому расположенный справа от эмиттера коллектор «не видит» импульса дырочного тока.
2. Является ли германий веществом, применяемым в термоэлектронике?
Д.В.Сивухин - ОБЩИЙ КУРС ФИЗИКИ. Tом. 3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО § 105. Термоэлектрический ток
http://bookzie.com/book_800_glava_132_%C2%A7_105._Termoehlektricheskijj_.htmlГерманий WIKI
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B9Теллурид германия применяется как стабильный термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 50 мкВ/К).
ГЕРМАНИЙ
http://www.xumuk.ru/encyklopedia/985.htmlСплавы германия с Si или с В-высокоэффективные термоэлектрич. материалы,
И наконец, находим:
Из истории термоэлектричества
http://otc-obninsk.ru/information/
Таблица 1. Значения коэффициента Зеебека : мкВ/К.
В таблице 1 отмечено, что германий обладает высокими термоэлектрическими свойствами. Коэффициент Зеебека у германия в 100 раз выше чем у алюминия. Германий является веществом N типа по отношению к меди и платине. По отношению к селену германий будет веществом P-типа. N и P тип определяется термоэлектрическим рядом напряжений металлов.
Это значит, что пропуская ток через образец – германий, Шокли и Хейнц о многом умолчали. Они не измеряли температуру контактов и не учитывали в своём эксперименте термоэлектрические эффекты. Потому объяснение опыта Шокли дал поверхностно и не правильно. Отсюда появились фиктивные «дырки» вместо термоэлектрической теории PN-перехода.
3. Опыт Хейнса — Шокли с позиции термоэлектроники.
Приведём схему опыта.
Рис. 3 Термоэлектрическая схема опыта Хейнса-Шокли
На рисунке 3 приведена термоэлектрическая схема опыта Хейнса-Шокли. Все контакты схемы имеют вид PN- переходов термопар. Рассмотрим первый контур цепи: германиевый стержень, подключенный к батарее E1
Рис. 4 Схема подключения германиевого стержня к батарее E1.
На рисунке 3 германиевый стержень подключен к контактам ( возможно из меди или латуни) и имеет структуру PNP.
Почему через неё течёт ток?
Контакты такого рода относятся к термопарам. Они имеют открытую термоэлектронную эмиссию и считаются PN-переходом с узкой запрещённой зоной. Каждый из контактов ( на схеме обозначены цифрами 1 и 2) обладает термоэлектрическими качествами. Так, например, для схемы на рисунке 3, при включении батареи E1 в указанной полярности, контакт обозначенный цифрой 1 нагревается, а контакт обозначенный цифрой 2 – охлаждается. Буквой Т обозначено выделение тепла, буквой Х - охлаждение.
На рисунке 3, в PN-переходе слева наблюдается тепловой эффект Пельтье, в PN-переходе справа наблюдается холодильный эффект Пельтье.
В дальнейшем, в своём опыте Хейнц создал ещё 2 контакта: передающий и приёмный. Нарисуем схему передающей стороны.
Рис. 5 Схема подключения германиевого стержня к батарее E1 и контура передающей цепи.
На рисунке 5, генератор импульсов через контакт обозначенный цифрой 3 периодически подаёт импульс в положительной полярности в цепь между контактами 2 и 3. Стрелками синего цвета нарисованы направления движения электронов. Стрелки обозначены: e1 – направление движения электронов от источника E1; e2 – направление движения электронов в контуре генератора импульсов. Контакты 1 и 3 нагреваются, контакт 2 охлаждается согласно эффекту Пельтье.
Контакт 2 считается PN-переходом, который поглощает тепловую энергию. Также он считается условно «запертым» переходом. Из-за узкой запрещённой зоны, он всё же пропускает ток, но обладает свойством улавливать тепловой поток, при этом ток в его цепи повышается.
Свойство условно-запертого перехода преобразовывать тепловой поток в электрический ток, используется для создания прёмной стороны. Для этого создаётся контакт 4, на который подаётся запирающее напряжение.
Рис. 6 Схема подключения германиевого стержня к батарее E1 и контуров передающей и приёмной цепей.
На рисунке 6 PN- переход, обозначенный как контакт 4, запитывается через батарею E2 и резистор R1 обратным током и под действием этого тока охлаждается, согласно холодильному эффекту Пельтье.
На рисунке 6. потоки электронов обозначены как e1, e2, e3.
Поток электронов e1 задаётся батарей Е1 и течёт постоянно.
Поток электронов e3 задаётся батарей Е2 и течёт постоянно.
Поток электронов e2 возникает только во время положительного импульса генератора.
Эти токи задаются пока упрощённо. В дальнейшем можно проанализировать всю цепь, чтобы определить влияние цепи с батареей Е1 на цепь с батареей Е2.
Рассмотрим как работает опыт Хейнса- Шокли с точки зрения термоэлектрической теории. Работу опытной установки рассмотрим во времени по отдельным моментам.
Первоначально рассмотрим момент времени, когда импульс генератора ещё не начался.
Рис. 7 Момент времени 1. Импульс на контакт 3 ещё не подан.
Момент времени 1. Импульс на контакт 3 ещё не подан. Через германиевый стержень протекают токи 2-х батарей. Электронные потоки обозначены как е1 и е3.
Рис. 8 Момент времени 2. Импульс на контакт 3 подан.
Момент времени 2. Импульс на контакт 3 подан. Импульс воздействует на электрическую цепь по законам Киргофа и потому мгновенно возникает как опорный импульс на приёмном контакте 4. И в то же время от контакта 3 во все стороны распространяется тепловой поток в виде эстафетного движения электронов, участвующих в теплопередачи. Эстафетный ток электронов обозначен двунаправленными красными стрелками. Пока это движение тепла в чистом виде и скорость этого движения не велика.
PN-переход 3 включен в прямом направлении с током генератора, а потому, согласно тепловому эффекту Пельтье – нагревается.
Рис. 9 Момент времени 3. Тепловой поток достигает условно запертого PN-перехода 4.
Момент времени 3. Тепловой поток достигает условно запертого PN-перехода 4. PN- gереход 4 начинает отрывать у тепловой эстафеты электроны, заряжая переход следующим образом: на зону P –положительный заряд, на зону N – отрицательный заряд. Так обычно реагируют термопары на тепловую энергию. Так, как электрон у эстафеты отрывается на заряд PN-перехода, то эстафетный ток превращается в однонаправленный – инжекционный ток. Заряд PN- перехода 4 выглядит как пришедший с опозданием положительный импульс.
Рис. 10 Момент времени 4.
Момент времени 4. Условно запертый PN-переход 4 отрывает электрон у тепловой эстафеты и эстафетный ток превращается в однонаправленный – инжекционный ток.
Инжекционный ток заряжает зону P положительным зарядом, зону N- отрицательным зарядом, что на осциллографе выглядит, как пришедший с опозданием положительный импульс.
Вывод.Нам удалось получить объяснение явления Хейнса-Шокли без использования дырочной проводимости, применяя теорию термоэлектричества.
Далее в опыте Хейнса-Шокли указывается, что при смене полярности батареи Е1, явление «эха» исчезает.
Объяснить это можно, если проанализировать схему с позиции теории цепей.
На участке германиевого стержня от контакта 4 до контакта 2 возникает падение напряжения в результате тока батареи Е1.
Мы рассматривали первоначальную полярность батареи Е1, при которой падение напряжение на участке 4-2 создавало запирающий эффект на PN-переход 4.
При смене полярности батареи Е1, PN-переход 4 открывается и ток электронов e3 начинает течь в противоположную сторону. Как известно, на открытый переход тепловые потоки не действуют так значительно, как на закрытый.
Весь опыт Хейнса-Шокли чем-то похож на работу PNP-транзистора. Шокли этого и не скрывает, называя контакт 3 эмиттером, а контакт 4 коллектором.
К сожалению, Шокли не учитывает термоэлектрические явления и изобретает мифические «дырки».
4. Опыт Хейнса — Шокли с позиции термоэлектроники. Дырочная теория Шокли не верна.В 1949-м году опыт Хейнса был некорректно объяснен теоретиком Шокли по следующим причинам:
- не сообщается о падениях напряжений на контактах.
- не сообщается о материалах, из которых сделаны контакты.
- не сообщается о температурах контактов во время проведения эксперимента.
- не сообщается о назначении батареи E2.
- полностью игнорируются термоэлектрические свойства германия.
Багницкий Валерий.
14-01-2013
Источник:
Опыт Хейнса — Шокли с точки зрения термоэлектрической теории.
https://my.mail.ru/community/blog.physics/10984B5C3828A812.htmlОпыт Хейнса — Шокли с точки зрения термоэлектрической теории.
https://my.mail.ru/community/radio_termo_elektro_nika/2A1CB9ED1C7348FE.html#2A1CB9ED1C7348FE
