Električne pojave na kontaktima

P e t o p r e d a v a nj e

ELEKTRIČNE POJAVE NA KONTAKTIMA

Uvod

Kada se spoje dva provodnika, elektroni prelaze iz jednog provodnika u drugi (zbog toplotnog kretanja). Ako su ti provodnici različiti po hemijskoj građi i ako je temperatura u raznim tačkama različita onda su dva difuziona elektronska fluksa nejednaka — jedan od provodnika se naelektriše pozitivno, a drugi negativno.

Zato se u provodniku i u spoljašnjem prostoru oko provodnika pojavljuje električno polje. U stanju ravnoteže u provodniku postoji takvo polje koje upravo kompenzuje razliku difuzionih flukseva. Postojanje tih električnih polja izaziva niz električnih pojava na kontaktima; njih i razmatramo u ovom predavanju.

Kontaktna razlika potencijala

Razmotrimo dva različita provodnika 1 i 2 koja se nalaze u električnom kontaktu (Sl. 1). Smatraćemo na početku da je temperatura provodnika

Sl. 1 Dodir dva različita metala; u spoljašnjem prostoru se javlja

električno polje, a na površini metala se gomilaju naelektrisanja

jednaka. Na provodnicima se javljaju naelektrisanja, a između njihovih slobodnih krajeva nastaje električno polje. Razliku potencijala između neke dve tačke а i b koje se nalaze van provodnika ali su u neposrednoj blizini površine zovemo spoljašnja kontaktna razlika potencijala ili prosto kontaktna razlika potencijala. Dalje ćemo tu veličinu označavati sa $U_{12}$. Pri tome je , gde je potencijal blizu provodnika 1 (u tački a), a blizu provodnika 2 (u tački b). Pošto je, kada nema struje, površina svakog provodnika ekvipotencijalna, ta razlika potencijala ne zavisi od položaja tačaka а i b dok se jedna od njih nalazi kod površine provodnika 1 a druga kod površine provodnika 2.

Razmotrimo sada električno polje u provodnicima koji su u kontaktu. Ako je temperatura u svakoj tački jednaka, onda je po Omovom zakonu gustina struje u homogenom provodniku . Pošto je naše kolo u prekidu, ne teče struja (), električno polje u proizvoljnoj tački u provodnicima jednako je nuli i potencijal je tamo konstantan. Otuda sledi da električno polje u provodnicima može postojati jedino u tankim graničnim slojevima na površini i na kontaktu. A potencijal na tim granicama mora se skokovito menjati.

Razliku potencijala , gde je potencijal u provodniku 1 a u provodniku 2, nazivamo unutrašnja kontaktna razlika potencijala ili kontaktni skok potencijala.

Ako se kolo sastoji od više od dva provodnika, kontaktna razlika određena je samo krajnjim segmentima kola.

Sl. 2 Merenje kontaktne razlike potencijala

Za merenje kontaktne razlike potencijala upotrebljavaju se kompenzacione merne šeme. Jedna od njih je pokazana na Sl. 2. Dve pločice od ispitivanih supstancija postavljaju se paralelno; jedna pločica je nepokretna a druga se, pomoću prostog mehaničkog uređaja, može dovesti u oscilatorno kretanje (u pravcu normale). Oscilacije pločice su male amplitude (delovi milimetra) i učestanosti nekoliko desetina herca. Ako je kontaktna razlika potencijala jednaka $U$, a rastojanje između pločica $d$, onda je jačina polja između pločica jednaka $U/d$ (jer su to obloge ravnog kondenzatora). Na oblogama se javlja površinska gustina naelektrisanja $\varepsilon _{0}{U}/{d}$. Pri periodičnoj promeni debljine d, naelektrisanje na oblogama se takođe menja periodično. Zato se u spoljašnjem kolu javlja naizmenična struja i na otporniku r razvija se naizmenični napon. Taj napon je moguće pojačati pojačavačem A i registrovati oscilografom O. Ako sada dovedemo na ploče spoljašnju razliku potencijala od baterije, a ta razlika potencijala je suprotnog znaka u odnosu na kontaktnu razliku, pomoću delitelja napona možemo postići da se anulira struja u spoljašnjem kolu. U tom je slučaju priloženi spoljašnji napon, očevidno, upravo jednak kontaktnoj razlici koju, dakle, očitavamo neposredno voltmetrom V.

Kontaktna razlika potencijala direktno je povezana s termoelektronskim izlaznim radovima i telâ koja su u kontaktu:

. (1)

Ova relacija važi kako za metale tako i za poluprovodnike. Zato, ako je izlazni rad jednog od provodnika već poznat (na primer, iz opita s termoelektronskom emisijom) onda, merenjem moguće je naći izlazni rad drugog provodnika. Taj se metod često koristi za određivanje izlaznog rada supstancija s niskom temperaturom topljenja (kod njih je neposredno merenje termoelektronskom emisijom nemoguće).

Dublje razmatranje vezano za izvođenje relacije (1) izlazi iz okvira ovog kursa.

Termoelektricitet

Na spoju dva različita provodnika postoji kontaktni skok potencijala . U prikontaktnom sloju javlja se elektromotorna sila. Strane sile neophodne za postojanje ove elektromotorne sile su rezultat pritiska elektronskog gasa — koji je različit u raznim provodnicima. Međutim, ako je temperatura celog kola jedna te ista, rezultantna e.m.s. jednaka je nuli.

Sl. 3 Termoelektrično kolo

Razmotrimo kolo sa Sl. 3. Ono se sastoji od dva različita provodnika 1 i 2. Smatraćemo, jednostavnosti radi, da su provodnici za vezu koji idu do voltmetra načinjeni takođe od provodnika 1 pa se ne javljaju skokovi potencijala na kontaktima A i D. Tada će raspodela potencijala u kolu imati oblik pokazan na Sl. 4 levo.

Sl. 4 Raspodela potencijala u kolu sa Sl. 3,

pri $T_{1}=T$ (levo) i pri $T_{1}>T$ (desno)

Skokovi potencijala na kontaktima Β i C jednaki su po veličini ali su suprotni po znaku i zato voltmetar, spojen za krajeve kola A i D, ne pokazuje napon.

To važi za bilo koji broj provodnika: elektromotorna sila kola koje je sastavljeno od proizvoljnog broja elektronskih provodnika (provodnika prve vrste) na istoj temperaturi jednaka je nuli.

Međutim, ako temperature kontakata nisu jednake, ukupna e.m.s. kola više nije jednaka nuli i kada se kolo zatvori u njemu teče struja. Ta pojava je nazvana termoelektricitet, a e.m.s. koja se tada javlja zove se termoelektromotorna sila (t.e.m.s.).

Da bismo razjasnili uzroke pojavljivanja t.e.m.s. vratimo se opet prostom kolu od dva provodnika i uzmimo da je temperatura kontakta Β veća od temperature Τ kontakta C. Takođe ćemo smatrati, jednostavnosti radi, da su temperature rastavljenih krajeva kola A i D jednake i iznose T. Pošto su termalne brzine elektrona blizu kontakta Β veće nego u blizini kontakta C, u provodniku 2 nastaje difuzioni fluks elektrona usmeren od Β ka C. U slučaju poluprovodnika, u kojima se koncentracija elektrona povećava sa temperaturom, nastaće još i dodatni difuzioni fluks tog istog smera, zbog razlike koncentracija elektrona na vrućem i hladnom kraju provodnika.

Zato će se u provodniku 2 (na njegovoj površini) pojaviti naelektrisanja, a u provodniku se formira električno polje takvog intenziteta da u stacionarnom stanju izaziva struju drifta koja kompenzuje difuzionu struju.

Dakle, kada u provodniku postoji gradijent temperature, u njemu se javlja i gradijent električnog potencijala. Ovo u celosti važi i za provodnik 1.

Međutim, t.e.m.s. prouzrokovana je ne samo pojavom difuzije u zapremini nego još i kontaktnim skokovima potencijala i Pošto oni zavise od temperature, njihova suma već nije jednaka nuli. Raspodela potencijala u kolu pri nejednakim temperaturama kontakata pokazana je na Sl. 4 desno. Napon V koji pokazuje voltmetar i koji je jednak t.e.m.s. sastoji se od pada napona u zapremini provodnika i skokova potencijala na kontaktima.

Termoelektricitet je otkrio nemački fizičar Zebek. Da se pojava primeti, dovoljno je spojiti na milivoltmetar dva komada bakarne žice i vezati ih komadom žice od drugog materijala, na primer gvožđa. Dok je temperatura oba spoja ista, ne pokazuje milivoltmetar nikakvu e.m.s. No pri zagrevanju jednog od spojeva, u kolu se javlja t.e.m.s. — skreće kazaljka milivoltmetra. Ako se zagrejani spoj ohladi i zatim zagreje, drugi spoj promeniće se znak t.e.m.s. — kazaljka milivoltmetra skreće na drugu stranu.

U tabeli su date t.e.m.s. za neke češće upotrebljavane parove metala (temperatura hladnog spoja je 0°C).

[TABLE]

Termoelektrična svojstva nekog para provodnika karakterišemo pomoću diferencijalne t.e.m.s.

$$\alpha =\frac{d\mathscr{E}}{dT}. \tag{2}$$

Ona zavisi ne samo od vrste datog para provodnika nego i od njihovih temperatura.

Ako se jedan od spojeva nalazi na temperaturi , a drugi na višoj temperaturi i razlika temperatura nije prevelika, onda je ukupna t.e.m.s. jednaka

. (3)

U tabeli su navedene vrednosti za , u mikrovoltima po kelvinu, za neke metale u odnosu na platinu pri 0 °C.

Metal		Metal
Bizmut	65,0	Nikal	16,4
Gvožđe	+16,0	Antimon	+47,0
Bakar	+ 7,40	Konstantan	34,4

Koristeći ovu tabelu možemo naći t.e.m.s. ne samo u odnosu na platinu nego i za proizvoljnu drugu kombinaciju metala. Tako, na primer, t.e.m.s. para gvožđe-konstantan ovako izračunavamo: (gvožđe-platina) — (konstantan-platina) = +16,0 — (—34,4) = 50,4 .

Znak za je uveden za određivanje smera termostruje i označava da na zagrejanom spoju struja teče od metala sa manjom (algebarski) vrednošću ka onom drugom. Dakle, u paru gvožđe — konstantan struja kroz vrući spoj usmerena je od konstantana (—34,4) ka gvožđu (+16,0).

Iz datih tablica se vidi da je t.e.m.s. metala relativno mala. Međutim, u kolu koje je sastavljeno od poluprovodnika i metala (ili od dva poluprovodnika) ona je mnogo veća. Za neke poluprovodnike t.e.m.s. može imati red veličine 0,1 V na 100 K, što je desetine i stotine puta više od t.e.m.s. metala.

Peltijeov efekat

Opit pokazuje da pored Džulove toplote, koja se oslobađa kad teče struja u zapremini provodnika, nastaje i termički proces na kontaktu dva različita provodnika, čak i onda kada se ti provodnici prvobitno nalaze na istoj temperaturi. Na kontaktu kroz koji teče struja dolazi, zavisno od smera struje, do oslobađanja ili apsorbcije toplote, pa se kontakt ili zagreva ili hladi. Ta je pojava nazvana Peltijeov efekat.

Litografija Antoine Maurin

Jean Charles Athanase Peltier (1785 — 1845)

Posmatrajmo uređaj sa Sl. 5. Tu su 1 i 2 dva različita provodnika međusobno spojena. Provodnici su zatopljeni u stakleni balon koji ima horizontalnu cev a u kojoj se nalazi kaplja vode b. Stakleni balon se može otvarati prema atmosferi ili zatvoriti pomoću slavine Κ.

Stakleni balon služi kao demonstracioni gasni termometar.

Pri zagrevanju spoja povećava se pritisak u balonu i kaplja se pomera udesno; pri hlađenju spoja kaplja se kreće u suprotnom smeru. Pogodno je u opitu izabrati štapove od antimona (Sb) i bizmuta (Bi). Ako je smer struje od Sb ka Bi, spoj se zagreva.

Peltijeova toplota koja se izdvojila na spoju ili je tamo apsorbovana proporcionalna je ukupnom naelektrisanju $q$ koje je prošlo kroz spoj, tj. proizvodu jačine struje $i$ i vremena $t$:

$$Q_{\text{P}}=Pq=Pit. \tag{3}$$

Koeficijent zavisi od vrste provodnika koji su u spoju i od njihove temperature i zove se Peltijeov koeficijent.

Sl. 5 Aparatura za posmatranja Peltijeovog efekta

Između Peltijeove pojave i oslobađanja Džulove toplote postoji suštinska razlika. Džulova toplota proporcionalna je kvadratu jačine struje i ne zavisi od smera struje. Peltijeova toplota proporcionalna je prvom stepenu jačine struje i menja znak kada se promeni smer struje. Dalje, Džulova toplota zavisi od otpornosti provodnika dok Peltijeova toplota od nje ne zavisi.

Ako se meri u džulima a q u kulonima, onda će biti izraženo u J/C, tj. u voltima. Opit pokazuje da za većinu različitih parova metala ima Peltijeov koeficijent red veličine od $10^{-3}$ volti do $10^{-2}$ volti. Za poluprovodnike je Peltijeov koeficijent mnogo viši.

U običnim uslovima je Peltijeova toplota mala u poređenju s Džulovom toplotom. U merenju treba smanjiti Džulovu toplotu (primenjivati dovoljno debele provodnike koji imaju malu otpornost).

Poreklo Peltijeove toplote se objašnjava na sledeći način. Svaki elektron pri svom kretanju prenosi ne samo svoje naelektrisanje nego i pripadajuću energiju. Zato se, kada teče električna struja, u provodniku javlja određeni fluks energije. On postoji i tada kada je temperatura u svim tačkama provodnika jednaka, te nema prenosa energije zbog toplotne provodnosti. Smer fluksa energije se podudara sa smerom kretanja elektrona, tj. suprotan je smeru gustine struje .

Pri jednoj te istoj gustini struje različiti su fluksevi energije u raznim provodnicima. Zbog toga, energija koja dolazi kontaktnoj ravni u provodniku 1 nije jednaka energiji koja odlazi od kontaktne ravni u provodniku 2. Razlika tih energija i jeste Peltijeova toplota.

U homogenom provodniku, ako se on neravnomerno zagreva, oslobađa se ili apsorbuje toplota kada teče struja. Ova se toplota ili sabira sa Džulovom toplotom ili se od nje oduzima. Pojava je nazvana Tomsonov efekat. O njoj ovde nećemo šire govoriti.

Primene termoelektriciteta

A) Termoelektricitet se izdašno koristi za merenje temperature. U te svrhe se koriste termoelementi (termoparovi). Primer tehničkog termopara šematski je prikazan na Sl. 6. On ima dve žice 1 i 2, od raznih metala; krajevi ovih žica su spojeni (spoj I). Žice se nalaze u porcelanskoj cevi m radi čuvanja spoja od hemijskih dejstava. Drugi spoj (II) je na konstantnoj temperaturi (u termostatu).

Sl. 6 Šema uređaja i način uključivanje termoelementa

Krajevi kola A i B spajaju se za milivoltmetar ili (u preciznim merenjima) za potenciometar za merenje t.e.m.s. kompenzacionom metodom. Termoelementi imaju tu prednost što se pomoću njih mogu meriti i vrlo visoke i vrlo niske temperature, a to se ne može učiniti upotrebom običnih tečnih termometara.

Radi povećanja e.m.s. vežu se termoelementi redno u termobaterije kao što je pokazano na Sl. 7. Pri tom se svi parni spojevi drže na jednoj temperaturi a svi neparni su na drugoj temperaturi. E.m.s. takve baterije je jednaka zbiru e.m. s. pojedinih elemenata.

Sl. 7 Šema termobaterije

B) Minijaturne baterije koje su sačinjene od vrlo tankih traka dva različita metala primenjuju se, s uspehom, za merenje intenziteta optičkog zračenja. Slični termoelektrični prijemnici zračenja u sprezi sa kvalitetnim galvanometrom imaju ogromnu osetljivost. Oni otkrivaju, na primer nevidljivo toplotno zračenje čovečije ruke na rastojanju od nekoliko metara; takvo zračenje detektuje razliku temperatura spojeva ne veću od nekoliko milionitth delova jednog stepena.

C) Termobaterije su od interesa i kao generatori električne struje male snage. U poređenju sa termoenergetskim uređajima one su izvanredno proste i ne sadrže nikakve rotacione elemente. Termogeneratori se danas grade isključivo od poluprovodnika zato što je t.e.m.s. poluprovodnika znatno veća od t.e. m.s. metala. Pored toga, toplotna provodnost poluprovodnika je manja nego kod metala, pa se smanjuje i štetni prelaz toplote od vrućih ka hladnim spojevima.

D) Peltijeov efekat na kontaktima poluprovodnika se uspešno koristi za konstruisanje termoelektričnih frižidera.

Poluprovodnički p-n spojevi

Kontakti metal-poluprovodnik i poluprovodnik-poluprovodnik ne potčinjavaju se Omovom zakonu. Otpornost kontakata zavisi od priloženog napona, a pri jednom te istom naponu može se znatno promeniti promenom smera struje.

Elektronski procesi na kontaktu poluprovodnik—metal razlikuju se od procesa na kontaktu dva poluprovodnika. Mi ćemo se, međutim, zadržati jedino na razmatranju kontakta dva poluprovodnika jer takvi spojevi imaju naročito važne tehničke primene.

Po karakteru svoje provodnosti, poluprovodnici mogu biti elektronski (n-tip) i šupljinski (p-tip). U poluprovodnicima n-tipa osnovni nosioci naelektrisanja su (negativni) elektroni, a u poluprovodnicima p-tipa (pozitivne) šupljine. U slučaju kontakta dva poluprovodnika, elektroni i šupljine mogu prelaziti iz jednog poluprovodnika u drugi i tako između poluprovodnika, kao i između metala, nastaje kontaktna razlika potencijala, a u tankom graničnom sloju se javlja kontaktno električno polje.

Dalje ćemo razmatrati samo slučaj kada je jedan od poluprovodnika n-tipa (ima elektronsku provodnost) a drugi je p-tipa (ima šupljinsku provodnost).

Takav se spoj ne može dobiti prostim dodirom dva poluprovodnika, jer bi zbog hrapavosti površina kontakt bio ostvaren samo u malom broju tačaka; između njih bi postojali vazdušni zazori gde bi se formirali oksidni filmovi i spoj.bi u stvari imao složenu strukturu. Zato se, obično, za dobijanje p-n prelaza (spojeva) ubacuju u pločicu čistog poluprovodnika (na primer, germanijum ili silicijum) dve primese — jedna je donorska (daje elektronsku provodnost) a druga je akceptorska (daje šupljinsku provodnost); te primese treba tako raspodeliti da se na jednom kraju dobije višak jedne primese, a na drugom kraju višak druge. Tada u jednoj polovini pločice postoji elektronska provodnost, a u drugoj postoji šupljinska provodnost; između se nalazi tanki prelazni sloj u kojem se dve primese kompenzuju.

Razmotrimo prvo p-n spoj kada nema struje, Sl. 8.

Zbog termalnog kretanja, elektroni iz n-oblasti prelaze u p-oblast (i tamo se postepeno rekombinuju sa šupljinama) a šupljine iz p-oblasti dospevaju u n-oblast (i rekombinuju se sa elektronima). Zato će se u n-oblasti, blizu granične ravni, pojaviti pozitivno zapreminsko naelektrisanje, a u p-oblasti nastaće negativno zapreminsko naelektrisanje: n-oblast stiče pozitivni potencijal i energija se elektrona tamo smanjuje (pošto je naelektrisanje elektrona negativno) dok potencijal p-oblasti postaje negativan i energija elektrona se u njemu povećava.

Sl. 8 P-n spoj; nema spoljašnjeg napona

U ravnotežnom stanju ukupna struja kroz kontakt je jednaka nuli. Tu struju, za razliku od metala, gde su nosioci naelektrisanja samo elektroni, čine i kretanja elektrona i kretanja šupljina.

U svakom poluprovodniku, pored osnovnih nosilaca naelektrisanja (koji su u većini), uvek postoji još i izvestan broj sporednih nosilaca naelektrisanja. Zato u elektronskom poluprovodniku, zajedno sa provodnim elektronima (osnovni nosioci naelektrisanja), postoji i manji broj šupljina (sporedni nosioci naelektrisanja), a u poluprovodniku p-tipa, pored šupljina, postoji i izvestan broj elektrona. Broj sporednih nosilaca obično je mali u poređenju s brojem osnovnih.

Vidimo da kontaktno polje ima takav smer da ubrzava sporedne nosioce. Svi se sporedni nosioci, nastali u prikontaktnoj oblasti, kreću kroz p-n spoj i formiraju neku struju jačine $i_{\text{z}}$ koja je usmerena od n ka p. Jačina te struje praktično ne zavisi od razlike potencijala između n- i p-poluprovodnika i određena je jedino brojem sporednih nosilaca koji nastaju u prikontaktnoj oblasti u jedinici vremena. A osnovni nosioci (šupljine koje se kreću zdesna nalevo, elektroni koji se kreću sleva nadesno) daju struju $i_{0}$ koja je suprotno usmerena, tj. od p ka n. Kontaktno polje koči kretanje osnovnih nosilaca koji moraju savladati potencijalnu barijeru. U stanju ravnoteže postoji takva potencijalna barijera pri kojoj je ukupna struja anulirana:

$$i=i_{0}-i_{\text{z}}=0. \tag{5}$$

Pogledajmo sada šta se događa kada teče struja kroz kontakt (priložen spoljašnji napon). Pretpostavimo da smo kontaktu priložili takav napon da je n-oblast na negativnom potencijalu, a p-oblast na pozitivnom potencijalu (Sl. 9). Tada se energija elektrona u n-oblasti povećava a u p-oblasti smanjuje, pa

Sl. 9 Direktno polarisani p-n spoj

se smanjuje visina potencijalne barijere. Pri tom se struja sporednih nosilaca $i_{\text{z}}$, kao što smo gore rekli, nije bitno promenila. Ali se povećala struja osnovnih nosilaca $i_{0}$ - jer sada veći broj elektrona može da savlada potencijalnu barijeru i pređe sleva nadesno i veći broj šupljina može preći na suprotnu stranu. Kroz kontakt će, dakle, teći struja $i=i_{0}-i_{\text{z}}$, koja je usmerena od p ka n; jačina struje će brzo rasti s povećanjem primenjenog napona.

Neće biti tako ako je n-oblast spojena sa pozitivnim polom izvora struje, a p-oblast sa negativnim (Sl. 10). U ovom slučaju će se visina potencijalne barijere povećati i smanjiće se struja osnovnih nosilaca $i_{0}$. Već pri naponima reda jedan volt ta struja će praktično biti jednaka nuli i zato će kroz kontakt teći jedino struja sporednih nosilaca, $i_{\text{z}}$, koja je veoma mala.

Sl. 10 Inverzno polarisani p-n spoj

Zbog svega ovoga, voltamperska karakteristika p-n spoja ima oblik predstavljen na Sl. 11. Kada je struja usmerena od p- ka n-oblasti jačina struje je velika i brzo se povećava s naponom; za taj smer struje (propusni smer struje) kontakt ima malu otpornost.

Sl. 11 Voltamperska karakteristika p-n spoja

No ako je struja usmerena od n- ka p-oblasti, jačina struje je veoma mala i skoro sasvim ne zavisi od napona (struja zasićenja). Za taj smer struje (zabranjeni smer) kontakt ima veliku otpornost. Tako:

Poluprovodnički p-n prelaz ima jednosmernu provodnost, ili ventilno svojstvo; ima nelinearnu voltampersku karakteristiku. Ako su uključeni u kolo naizmenične struje, takvi spojevi deluju kao ispravljači.

Kada je primenjeni inverzni napon dovoljno velik, na spoju dolazi do niza drugih pojava izazvanih zagrevanjem spoja i delovanjem jakog električnog polja u prelaznom sloju. To dovodi do brzog povećanja struje sporednih nosilaca koja ruši ispravljački prelaz (efekat “proboja”).

Iz rečenog sledi da se električna struja na kontaktima principijelno ne razlikuje od fenomena elektronske emisije. Istina, pri običnoj emisiji elektroni iz metala izlaze u vakuum dok u slučaju spojeva elektroni (i šupljine) prelaze iz jednog provodnika u drugi. Pošto je visina potencijalne barijere na kontaktu znatno manja od visine barijere na granici poluprovodnik—vakuum, uočava se dosta jaka emisija već na sobnim temperaturama. Dovodeći spoju razliku potencijala mi menjamo visinu potencijalne barijere i tako upravljamo jačinom struje emisije.

Poluprovodničke diode

Jednosmerna provodnost spojeva dva poluprovodnika (ili poluprovodnika s metalom) koristi se za izgradnju poluprovodničkih ispravljača koji služe za ispravljanje i transformaciju naizmeničnih struja.

Sl. 12 Šema germanijumskog ispravljača

Na Sl. 12 pokazana je konstrukcija jednog od tipova germanijumovog ispravljača. On se sastoji od pločice germanijuma s elektronskom provodnošću za koju je s jedne strane zavarena kuglica od indijuma (ona daje p-tip poluprovodnika) a s druge strane kuglice od kalaja. Pri zagrevanju u procesu zavarivanja indijum difunduje u germanijum do neke dubine pa blizu elektrode od indijuma imamo provodnost p-tipa dok se na nekoj dubini obrazuje ispravljački p-n spoj. Kalajna elektroda služi samo za uključenje ispravljača u kolo struje.

Ovakvi ispravljači sa površinom kontakta $1\;\text{mm}^{2}$ i naponom +1 V daju direktne struje koje su veće od 1 A, dok jačina inverznih struja obično ne prelazi nekoliko mikroampera. Ako je površina kontakta nekoliko kvadratnih centimetara mogu germanijumovi i silicijumovi ispravljači propuštati struje od nekoliko stotina ampera, mada su toliko mali da bez teškoća staju na dlanu ruke. Njihovi probojni naponi mogu iznositi stotine pa čak i hiljade volti.

Poluprovodnički ispravljači se primenjuju u radiotehnici za ispravljanje i transformisanje električnih oscilacija visoke učestanosti (kristalni detektori). Oni se sastoje od kristala silicijuma ili germanijuma koje pritiska tanki metalni šiljak (dijametar: nekoliko mikrona). Takvi detektori mogu da isprave brzopromenljive struje čija učestanost ide i iznad $10^{11}$ herca, što nije moguće postići pomoću elektronskih cevi.

Vrlo tanki p-n spojevi se koriste za konstrukciju tunelskih dioda. Takve diode mogu da služe kao elementi s negativnom diferencijalnom otpornošću za pojačanje i generaciju električnih oscilacija. Upotrebljavaju se takođe i kao brzi prekidači. (O svemu tome studenti više uče na časovima elektronike za studente fizike.)

Poluprovodnički pojačavači

Pomoću poluprovodnika može se postići ne samo ispravljanje nego i pojačavanje električnih oscilacija (a samim tim i generisanje oscilacija, ako se u šemu uvede povratna sprega). Poluprovodnički pribori koji se za te svrhe koriste nemaju dve elektrode (kao u ispravljačima) već tri (i više) i deluju slično vakuumskim elektronskim cevima s rešetkama.

Oni se generalno nazivaju tranzistori.

Da bismo razjasnili princip pojačanja električnih signala pomoću poluprovodnika razmotrićemo samo jedan od tipova tranzistora, tzv*. bipolarnu triodu* p-n-p tipa koja je šematski predstavljena na Sl. 13. To je kristal poluprovodnika (obično germanijum ili silicijum) u kojem su, pomoću odgovarajuće raspodele dve vrste primesa, formirane tri oblasti u kojima se smenjuju tipovi provodnosti: šupljine — elektroni — šupljine.

Tranzistor ima, prema tome, dva p-n kontakta. Tri oblasti su uključene u ostatak tranzistorske šeme pomoću odgovarajućih elektroda.

Sl. 13 Bipolarna difuziona trioda p-n-p tipa

Levi p-n spoj radi u propusnom smeru, dok je desni inverzno polarisan. Onaj p-tip poluprovodnika koji je levo od prvog p-n spoja zovemo emitor a p-tip poluprovodnika desno od drugog p-n spoja dobio je naziv kolektor. Međuprostor ograničen s dve ravni p-n spojeva zove se baza triode. Njena širina je uvek mala u poređenju sa difuzionom dužinom sporednih nosilaca naelektrisanja i iznosi od nekoliko mikrona do nekoliko desetina mikrona.

Izvor oscilacija koje se pojačavaju uključuje se između emitora i baze, a pojačane oscilacije nastaju u kolektorskom kolu i dostupne su za željene efekte u potrošaču $r$.

Pokazana šema uključivanja triode naziva se šema sa zajedničkom bazom.

Razmotrimo sada šta se događa u poluprovodničkoj triodi. Glavni deo električne struje u emitoru potiče od kretanja šupljina koje su osnovni nosioci naelektrisanja. Te se šupljine, porastom potencijala emitora, ubacuju u oblast baze i tamo se, kao sporedni nosioci naelektrisanja, kreću ka kolektoru. Ako je difuziona dužina šupljina u oblasti baze veća od debljine baze onda dobar deo ubačenih šupljina stiže do kolektora spoja. Ovde pozitivne šupljine zahvata polje koje deluje u spoju (šupljine privlači negativni kolektor) i one, stupajući u kolektor kao osnovni nosioci naelektrisanja, menjaju struju kolektora. Na taj način, svaka promena struje u kolu emitora izaziva promenu struje u kolu kolektora. To isto će da važi i za napone na emitoru i kolektoru.

Tranzistor može da pojačava napon; promena napona na potrošaču r u kolu kolektora tada je znatno veća od promene (koja je ovu prvu izazvala) napona u kolu emitora. Priključujući između emitora i baze naizmenični napon dobijamo u kolu kolektora naizmeničnu struju, a na potrošaču imamo naizmenični napon. Pri tom se može postići da je snaga naizmenične struje, koja se izdvaja na potrošaču, veća od snage koja se rashoduje u emitorskom kolu — to je pojačanje snage.

Principijelno, tranzistor je sličan vakuumskoj triodi Ulogu katode igra emitor, ulogu anode kolektor, a kao rešetka služi baza. Menjajući napon između rešetke i katode u vakuumskoj triodi menjamo veličinu elektronskog snopa u cevi i dobijamo promenu struje u anodnom kolu. Analogno, menjajući napon između emitora i baze menjamo veličinu fluksa sporednih nosilaca koji se ubacuju u bazu i time menjamo struju u kolektorskom kolu.

Pored razmotrene poluprovodničke triode postoje i drugi tipovi tranzistora, kao i druge šeme uključivanja. (O tome se uči u elektronici i drugim specijalizovanim kursevima na studijama fizike.)

Tranzistori imaju niz preimućstava u poređenju s elektronskim cevima. Oni nemaju katodu koju treba grejati, te zato manje troše energiju. Pošto, pored toga, ne zahtevaju vakuum (koji se pri radu cevi može kvariti), pouzdanost i vek trajanja tranzistora je po pravilu veći nego kod elektronskih cevi. Tranzistori imaju, takođe, znatno manje dimenzije. Zato se poluprovodnički pribori vrlo često primenjuju umesto elektronskih cevi u mnogim radiotehničkim šemama i kompjuterskim uređajima, i ta se tendencija nastavlja.

Danas su tranzistori i druge napredne poluprovodničke tehnike i elementi dominantni segmenti u elektronici, elektrotehnici, radiotehnici i srodnim disciplinama.