Элементы термоэлектроники

Опыт Хейнса—Шокли с точки зрения термоэлектрической теории

Описание опыта Хейнса—Шокли

В современной физике существуют отдельно 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. Так 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?

Опыт Хейнса—Шокли — классический физический эксперимент, впервые доказавший существование тока «неосновных» носителей в полупроводниках («дырочной» проводимости в полупроводнике n-типа) 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. 1.5.1. Установка для проведения опыта Хейнса, 1948 год.

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 скользящий контакт-зонд на схеме (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, а 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.1.5.2. 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 и «не видит» импульса дырочного тока.