Транзисторы на горячих электронах

Когда же температура становится выше критической, мы имеем дело с обычным металлом, у которого электрическое сопротивление относительно слабо зависит от температуры, особенно при низких температурах. При протекании электрического тока в металле выделяется тепло Джоуля-Ленца и металл нагревается. Только избавившись от нагрева целиком всего металла, можно непосредственно изучать неравновесные явления в электронном газе металла. Оказывается, для этого достаточно приготовить металл в виде очень тонкой пленки на диэлектрической подложке и сформировать из нее узкую и короткую полоску.

Это легко понять, если учесть, что тепло выделяется в объеме металла, а уходит через его поверхность. Для тонкой пленки с уменьшением ее толщины поверхность соприкосновения с подложкой не меняется, а объем пропорционально уменьшается, так что теплоотвод от единицы объема металла растет. Однако теплопроводность подложки конечна, что приводит к ее нагреву под пленкой и, в свою очередь, к нагреву пленки. Если же мы сделаем малыми размеры в плане, мы, конечно же, не изменим отношение объема к поверхности, но существенно уменьшим полное количество выделяемого тепла, позволив ему растекаться по подложке во все стороны. Практически приведенные выше качественные рассуждения приводят к искомому результату для ультратонких пленок (толщиной ~ 10 нм), имеющих размеры в плане ~ 1 мкм.

Интересные физические явления, важные также для практических применений, возникают не столько при протекании тока, сколько при взаимодействии с электромагнитным полем. Когда электрон в тонкой металлической пленке поглощает квант энергии электромагнитного поля (фотон), недостаточный по величине для внешнего фотоэффекта, электрон приобретает избыточную энергию, оставаясь в металле. Таких электронов может быть много, однако специальной физической проблемой является возможность приписать этому коллективу определенное значение температуры, то есть рассматривать их как горячие электроны. Эта проблема решается в какой-то мере аналогично имеющей место в идеальном газе. Хотя идеальный газ - самая простая модель обычного реального газа, даже в ней важную роль играют соударения между атомами и молекулами. Именно они обеспечивают установление равновесного распределения молекул по энергии и дают тем самым возможность характеризовать газ определенным значением температуры. В очень тонких металлических пленках при низких температурах межэлектронные столкновения оказываются достаточно частыми, чтобы можно было описывать их коллектив с помощью электронной температуры. Однако ситуация здесь гораздо более сложная, чем в идеальном газе. Для электрона в кристалле есть и другая возможность потерять энергию - возбудить тепловые колебания атомов или молекул, которые распространяются в виде упругих волн в решетке ионов. На языке частиц такие волны называются фононами. В чистых и совершенных металлических кристаллах обычно электрон, обладающий избыточной энергией, быстрее испускает фононы и теряет энергию, чем передает ее другим электронам. Но очень тонкие металлические пленки, как правило, несовершенны, и это меняет ситуацию. В них много кристаллических дефектов и примесей, рассеивающих электроны. Даже то, что электронный газ заключен между двумя поверхностями самой пленки, расположенными на малом расстоянии друг от друга, также приводит к ограничению свободного движения электронов. При рассеянии на примесях, дефектах кристаллической решетки и поверхностях пленки два свободных электрона, оказавшись один раз вблизи друг друга, гораздо дольше остаются рядом, чем в совершенном массивном металле. Оказывается, что межэлектронные столкновения при этом происходят гораздо чаще. Мы не будем углубляться дальше в это сложное квантовомеханическое явление. Подчеркнем лишь еще раз, что оно обеспечивает перераспределение избыточной энергии среди электронов быстрее, чем испускание ими фононов.

При этом энергия не теряется, она остается в электронной подсистеме, перемешивается в ней, и лишь после этого происходит испускание фононов. Этот последний процесс тем не менее достаточно быстрый: характерное время остывания электронной подсистемы, испускающей фононы, близко ко времени электрон-фононного взаимодействия и зависит от вида металла и температуры. Для трех сверхпроводников, которые мы здесь будем рассматривать в качестве конкретных примеров, при температуре, близкой к критической, оно составляет по порядку величины: для тонких пленок Nb ~ 10- 9 c, для NbN ~ 10- 11 c, а для высокотемпературного сверхпроводника YBaCuO ~ 10- 12 c. Все же время межэлектронного взаимодействия, как уже было сказано, еще меньше или того же порядка величины. Существенным следствием является то, что энергия даже большого по величине кванта (для света с малой длиной волны) не теряется даже частично, успевая перераспределиться среди электронов при их столкновении друг с другом. В этом случае величина температуры электронов зависит лишь от мощности излучения и не зависит от частоты.

Однако вопрос о зависимости избыточной электронной температуры от частоты электромагнитного излучения требует еще одного разъяснения. Дело в том, что мы еще ничего не сказали о частотной зависимости поглощения излучения. Оказывается, что для очень тонкой металлической пленки доля поглощенной мощности падающего излучения довольно велика и частотно независима вплоть до очень высоких частот, соответствующих видимому свету или даже ультрафиолетовому.

Таким образом, сопротивление тонкой сверхпроводящей пленки в резистивном состоянии быстро и с высокой чувствительностью реагирует на электромагнитное излучение (растет пропорционально мощности независимо от его частоты в очень широких пределах). На этой основе разработан новый нелинейный элемент, перспективный для использования в целом ряде областей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

 

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в устройствах, осуществляющих генерацию и усиление электрических колебаний. Основой любого транзистора является кристаллическая пластинка полупроводника, в котором используются те или иные свойства полупроводникового материала и электронно – дырочных переходов, в результате чего представляется возможным с помощью слабых управляющих токов или напряжений получать более мощные электрические колебания требуемого вида.

Подобно тому, как существует большое множество разновидностей диодов, известно большое число видов и разновидностей транзисторов.

Транзисторы различаются по числу основных видов носителей заряда, используемых при работе прибора. Транзисторы, в которых используются оба вида носителей, дырки и электроны, называются биполярными. В зависимости от геометрической структуры размещения зон с различной проводимостью они могут быть прямой (p – n – p) или обратной проводимости (n – p – n). Транзисторы, у которых используется только один основной носитель заряда, например, только дырки или только электроны, называются полярными

Самыми известными и доступными являются биполярные транзисторы прямой (p – n – p) и обратной (n – p – n) проводимости. Менее известны и доступны полевые транзисторы с каналом p и n типа.

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

 

1. Д. А. Усанов А. В. Скрипаль :Физические основы наноэлектроники.

Учебное пособие для студентов факультета нано- и биомедицинских технологий. —Саратов, 2013.

2. Парфенов В.В.: Квантово-размерные структуры в электронике:

транзисторные структуры и клеточные автоматы (элементы теории, руководство и задания к лабораторным работам). Методическое пособие для студентов физического факультета. – Казань, 2007.

3. Пасынков В.В., Сорокин В.С.: Материалы электронной техники, СПб,

2003.

4. Агаханян Т. М. Основы транзисторной электроники. – М.: Энергия,

1974.