Контакт полупроводников.

Полупроводникам свойственно: электроны не всегда имеют доступ к энергии ядра атома. Так, как эти вещества близки к изоляторам, то энергообмен электронов с ядром затруднён, и в некоторых случаях зависит от внешних энергетических условий.

В этом основное свойство полупроводников. Сплавы кремния с акцептором (полупроводник P-типа) создают кристаллическую решётку, где электроны находятся в более сжатом состоянии (чем у сплавов кремния с донором). То есть, сплав кремния с акцептором – более плотное вещество.

Сплавы кремния с донором (полупроводник N-типа) создают кристаллическую решётку, где электроны находятся в менее сжатом состоянии (чем у сплавов кремния с акцептором).

Контакт полупроводников с зонами P и N является устройством, называемым полупроводниковым диодом. Если две такие кристаллические решётки соединить, то из-за сильной связи электронов с ядром (у полупроводников сильнее, чем у металлов) переход электронов из зоны P в зону N под действием теплопередачи не произойдёт. Термо-ЭДС не возникает. В современной физике полупроводников есть понятие запрещённой зоны.

Для такого случая можно сказать, что для такого контакта существует широкая запрещённая зона. Узкозонные P-N переходы способны создавать термо-ЭДС. Их называют полупроводниковыми элементами Пельтье.

Прямой ток, это вариант тока, когда электроны переходят из зоны N в зону P. Прямой ток через PN-переход создаётся в замкнутой цепи за счёт источника внешней ЭДС.
Прямому току способствуют следующие факторы:

1. При контакте P и N зон, электрон, вышедший в середину расстояния между контактами, оказывается в области влияния (притяжения) зоны P. То есть, граница с экстремумом электрического поля смещается к зоне N.

2. В зоне P электроны находятся в сжатом состоянии, и силы сжимающие их определяются электрическим полем ядра вещества P. И потому зона P способна втягивать на свою территорию электроны из зоны N, где эти силы меньше. Мало того, это свойство способствует существованию эффекта односторонней проводимости. То есть, обратный ток очень мал, и может существовать, если электроны тока получат дополнительную энергию от какого-либо источника.
Если через такой контакт пропустить прямой электрический ток, то каждый электрон, вышедший из N-зоны в P-зону, отдаёт энергию. Поэтому при прямом токе наблюдается:

1. Выделение энергии в виде тепла. (Тепло выделяется на некотором резисторе R_D. R_D входит в состав модели, если моделировать процесс.)
2. Возникает ЭДС ( эффект Зеебека ), подобная ЭДС термопары, что отражается на нелинейности вольт-амперной характеристики полупроводниковых диодов.

При пропускании обратного тока через диод – переход электронов из зоны P в зону N - невозможен, так, как электрон не может получить энергию от ядра атома полупроводника, чтобы преодолеть притяжение атомных ядер на границе зоны P. И потому холодильный эффект Пельтье невозможен для полупроводника с широкой запрещённой зоной.

Известно, что существуют полупроводниковые элементы Пельтье, у которых есть PN-переход и они обладают узкой запрещённой зоной. Для них возможен обратный ток. При протекании обратного тока через полупроводниковый элемент Пельтье, электроны забирают энергию у ядер атомов, и в месте контакта возникает холод.

Две связи электрона с ядром:

1-я связь осуществляет блокирование электрона ядром (его торможение при перемещении) – является параметром: сопротивление. Этой же связи соответствует параметр теплопроводность.
2-я связь электрона с ядром – возможность энергообмена электрона с ядром атома. Этой связи соответствует параметр: работа выхода. В современной физике работе выхода соответствует ещё один параметр – ширина запрещённой зоны.

Ширина запрещённой зоны определяет возможность существования холодильного эффекта Пельтье. Для полупроводникового диода холодильный эффект Пельтье невозможен, потому и очень мал обратный ток. PN–переход, к которому приложено обратное напряжение, находится в запертом состоянии. При поступлении энергии извне, в таком переходе возникает обратный ток. Это явление создаёт условия для управления электрическим током. На этом принципе работают биполярные транзисторы.