Загальна фізика. Частина 2. Магнетизм. Коливання і хвилі. Оптика. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток

 

тим менша, чим сильніше леговані n- і p- області:  .

Густина дифузійних струмів основних носіїв визначаються висотою потенціального бар’єру:

 . (7.111)

В цей же час для неосновних носіїв бар’єру немає; більш того, контактне поле прискорює ці носії, викликаючи дрейфові струми неосновних носіїв густиною  . Густина дрейфового струму лінійно залежить від напруженості контактного поля  (закон Ома), тобто значно слабше від експоненційної залежності для густини дифузійного струму. І тому дрейфові струми наближено можна вважати постійними. Оскільки вектори густин дифузійного і дрейфового струмів напрямлені протилежно, то повний струм через p-n-перехід в рівноважних умовах дорівнює нулю, тобто

 .

7.16.2. Прикладемо до p-n-стуктури зовнішню наругу  так, як показано на рис. 7.34; таке ввімкнення називається прямим. В цьому випадку напруженість зовнішнього поля   напрямлена протилежно до  , і тому напруженість результуючого поля   зменшиться, потенціальний бар’єр понизиться на   і стане рівним  . Якщо p-область вважати умовно заземленою, то рівень Фермі в n-області підніметься на  .

У відповідності з (7.111) густини дифузійних струмів основних носіїв зростуть і стануть рівними

  (7.113)

Одночасно з тим p-область збагатиться додатковими неосновними носіями (електронами), а n-область – дірками. Має місце інжекція неосновних носіїв струму. Оскільки густина дрейфового струму неосновних носіїв через p-n–перехід залишається практично незмінною (рівноважною), то густина повного струму

 . (7.114)

Врахувавши, що  , після підстановки (7.111) та (7.113) отримаємо густину прямого струму

  (7.115)

де   – сумарна густина дрейфового струму неосновних носіїв.

Експоненційний ріст прямого струму з ростом Uз має місце до тих пір, доки Uз < 0. Якщо ж Uз ≥ 0, бар’єр на p-n-переході зникає, і залежність струму від напруги стає лінійною, у відповідності з законом Ома.

Якщо прикласти до p-n-структури зовнішню напругу так, як показано на рис. 7.35, то таке ввімкнення називається зворотним. В цьому випадку напрямки контактного   і зовнішнього   полів співпадають, результуюче поле збільшиться, бар’єр зросте на еUз і стане рівним е(Uз + 0). При практично незмінному дрейфовому струмі неосновних носіїв струм основних носіїв зменшиться. І через p-n-перехід протікатиме слабкий зворотний струм з густиною

 . (7.116)

Формули (7.115) та (7.116) можна об’єднати і користуватися лише першою, вважаючи пряму напругу додатньою, а зворотну – від’ємною. Вольт-амперна характеристика p-n-переходу, у відповідності з (7.115), матиме вигляд, показаний на рис. 7.36. Оскільки при кімнатній температурі  , то вже при зворотній напрузі   зворотний струм насичується і його густина стає рівною  , а відношення   при вказаній напрузі перевищує три порядки. Отже, p-n-перехід (напівпровідниковий діод) забезпечує пропускання струму лише в одному напрямку, тобто випрямляє змінний струм.

 

 

Поняття про ядро атома як центральну позитивно заряджену масивну частину атома, навколо якої рухаються електрони, ввів Е. Резерфорд (1911 р.) на основі своїх дослідів по розсіянню -частинок речовиною. Позитивний заряд ядра чисельно рівний сумі негативних зарядів електронів нейтрального атома. За обрахунками Резерфорда радіус ядра rя ~ 10-15 м (радіус атома rа ~ 10-10 м). Плідність ядерної моделі атома проілюструвала теорія атома водню Н. Бора (1913 р.). Після того як Г. Мозлі (1913 р.) експериментально показав, що позитивний заряд ядра

 , (8.1)

де Z – порядковий номер елемента в таблиці Менделєєва, а е – елементарний електричний заряд, чисельно рівний зарядові електрона (е = 1,6•10-19 Кл.), уявлення про ядро атома стало загальноприйнятим.

В ядерній фізиці за одиницю заряду приймають елементарний заряд е, а за одиницю маси – атомну одиницю маси (а. о. м.). 1 а. о. м. рівна   маси нукліда вуглецю  . Очевидно,

 ,

де   – число Авогадро. В таких одиницях Q = Z (Z називають зарядовим числом ядра), а маси атомів різних елементів виражаються числами, близькими до цілих. Заокруглена до найближчого цілого маса атома даного елемента, виражена в а. о. м., називається масовим числом елемента А.

Зарядове число Z і масове число А є основними характеристиками будь-якого ядра, тому ядро даного елемента позначається хімічним символом цього елемента з індексами Z та А ( ). Наприклад, ядро атома водню позначається  . Цю частинку Резерфорд (1919 р.) назвав протоном (  або  ). Оскільки маса електрона  , електрон позначають як  .

Спочатку була запропонована протонно-електронна модель будови ядра, згідно з якою ядро   складається з А протонів і А – Z електронів. Однак ця гіпотеза зустрілась з труднощами, однією з яких виявилась так звана «азотна катастрофа» – неможливість пояснити в рамках цієї гіпотези одиничний спін ядра азоту   (в одиницях  ). Спін цього ядра, яке містило б непарне число протонів і електронів (21), мав би бути напівцілим. Крім того, зі співвідношення невизначеностей випливає, що електрони не можуть входити до складу ядра, бо їх швидкість там була б більшою від с.

У 1932 р. Дж. Чедвік відкрив нову нейтральну елементарну частинку