Опыт Хейнса — Шокли с точки зрения термоэлектрической теории.

Описание опыта Хейнса — Шокли.

В 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 В. Шокли в 1949 году является неверной, так, как в ней В. 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:

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. 4.17. Установка для проведения опыта Хейнса в 1948-м году.

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.4.18. 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.