Физические процессы в биполярном транзисторе.

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция.

Рассмотрим р-n переход эмиттер - база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р-n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок р_n(х) по базе описывается следующим уравнением:

Схематически распределение инжектированных дырок р_n(х) показано на рисунке 5.5.

Рис. 5.5. Распределение инжектированных дырок в базе

Процесс переноса инжектированных носителей через базу - диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения -диффузионная длина L_p. Поэтому, если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины L_p. Это условие - W < L_p, является необходимым для реализации транзисторного эффекта - управление током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи.

В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинированных основных носителей в базе через внешний контакт должны подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы - это рекомбинационный ток.

Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса:

 инжекция из эмиттера в базу;

 диффузия через базу;

 рекомбинация в базе;

 экстракция из базы в коллектор.

Эти процессы для одного типа носителей схематически показаны на рис. 5.6а, б

Рис. 5.6. Зонная диаграмма биполярного транзистора:
а) в равновесном состоянии; б) в активном режиме

30. Магнитные материалы: основные типы магнитного состояния вещества (по величине k_m), классификация.

Диамагнетики — вещества, в которых в "чистом" виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. Происходит небольшое изменение угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Магнитный момент, возникающий при этом эффекте, направлен навстречу внешнему полю.

k_m= -(10^-6 – 10^-7), μ <1

k_m – слабо изменяется от температуры (т.к. диамагнетизм обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния). Диамагнетизм присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния.

Примеры диамагнетиков: все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла, полупроводниковые соединения А₃В₅, А₂В₆, кремний, германий, бор и другие. Ряд металлов: медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и другие, водород, азот, вода и другие.

Парамагнетики – вещества, которые намагничиваются в направлении вектора магнитной индукции внешнего магнитного поля.

k_m= (10^-6 – 10^-3), μ >1

k_m – в большинстве случаев сильно зависит от температуры(т.к. тепловая энергия препятствует противодействует созданию магнитной упорядоченности).

При отсутствии внешнего магнитного поля атомы в парамагнетиках обладают магнитным моментом, но из-за теплового движения магнитные моменты распределены хаотично и намагниченность вещества J = 0.

Примеры парамагнетиков: щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота. Al, Na, Mg, Ta, W, CaO, CoO и другие.

Ферромагнетики — магнитные моменты атомов расположены не беспорядочно, а в результате обменного взаимодействия ориентированы параллельно друг другу с образованием магнитных доменов.

k_m до 10⁶, μ » 1.

k_m сильно зависят от Н внешнего магнитного поля и температуры. Ферромагнетики легко намагничиваются уже в слабых магнитных полях.

Примеры ферромагнетиков: железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При низких температурах некоторые редкоземельные элементы — гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий. Сплавы RCo₅, где R редкоземельный элемент (Sm, Ce или Pr)

Антиферромагнетики — это материалы, атомы (ионы) которых обладают магнитным моментом, обусловленным некомпенсированными спиновыми магнитными моментами электронов. Но у антиферромагнетиков магнитные моменты атомов под действием обменного взаимодействия приобретают не параллельную ориентацию, как у ферромагнетиков, а антипараллельную, и полностью компенсируют друг другапоэтомуантиферромагнетики не обладают магнитным моментом.

k_m= (10^-6 – 10^-3), μ >1

Температура Нееля Т_н, при (и выше) этой Т антиферромагнитный порядок разрушается и материал переходит в парамагнитное состояние.

Примеры антиферромагнетиков: хром, марганец, цезий, неодим, самарий и другие. Химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и др. MnSe, FeCl₂, FeF₂, CuCl₂, MnO, FeO, NiO.

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно(антипараллельно). Подрешетки образованы атомами (ионами) различных химических элементов или неодинаковым их количеством в связи с чем они имеют различные по величине магнитные моменты, направленные антипараллельно и отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток приводит к спонтанному намагничиванию кристалла, поэтому ферримагнетики можно рассматривать как некомпенсированные антиферромагнетики.

k_m до 10⁶, μ » 1.

При Т ≥ Т_н материал переходит парамагнитное состояние.

К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические и различные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляют ферриты MnO*Fe₂O₃, BaO*6Fe₂O₃, (NiO*ZnO)Fe₂O₃, Li₂O*Fe₂O₃ и другие.

Ферро- и ферримагнетики относятся к сильномагнитным материалам, остальные группы к слабомагнитным веществам.

На рисунке 8.1 показаны направления магнитных моментов атомов в отсутствие внешнего магнитного поля при 0°К в веществах разной магнитной природы

Рис. 8.1. Ориентация магнитных моментов в веществах разной магнитной природы

Аморфные магнитные материалы. Магнитный порядок наблюдается и в некоторых химических соединениях в аморфном состоянии, в которых имеет место обменное взаимодействие (обмен энергией) между ближайшими соседними атомами. Металлические магнитомягкиеаморфные сплавы состоят из одного или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni), сплавленных со стеклообразователем — бором, углеродом, кремнием или фосфором.

Спиновые магнитные стекла. Это сильномагнитные вещества с ферромагнитным порядком, если магнитные свойства в них возникают в результате косвенных обменных взаимодействий через электроны проводимости и с антиферромагнитным порядком, если возбуждение происходит через промежуточные немагнитные атомы. Такими структурами могут быть также проводящие сплавы с малым содержанием переходных элементов.