Концентрации электронов

Согласно [1.4] рационален заряд АБ прерывистым током, а особенно хорошие результаты дает заряд асимметричным током. Последний является переменным током с различными амплитудами (и полупериодами) в противоположных направлениях. Такой способ обеспечивает равномерное объемное распределение концентрации электролита, включая область пор внутри активной массы, поскольку фронт диффузии не успевает удалиться на заметное расстояние от поверхности электрода при периодическом изменении направлений тока. В результате достигается увеличение ц^ на 10—-15% и сокращение t.t на 10—15% (по сравнению с параметрами, получаемыми при заряде на постоянном токе), а также повышение ресурса А Б.

Если не учитывать малую индуктивность L, , и исключить из анализа емкость С,, то при заряде АБ от источника питания большой мощности (с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением) или при разряде АБ на сопротивление RH установившееся значение тока должно быть достигнуто теоретически мгновенно. Однако если учесть особенности эффектов электрохимической реакции (диффузию ионов, изменение концентрации электролита в порах электродов и др.) посредством эквивалентной емкости С.„ то значение тс может возрасти на несколько порядков. В этом случае остается справедливым изложенный методический подход к анализу динамики АБ на основе схемы замещения. В АБ двойной слой электрических зарядов на поверхности электрода может существенно увеличить значение С, подобно тому, как это имеет место в компактных конденсаторах большой емкости, исследованных в последние годы [3.6]. Как указывалось, учет Сэ и тс целесообразен на начальной стадии переходных процессов, которая протекает достаточно быстро. Особенно важно отметить, что учет Сэ необходим при анализе разряда АБ на нагрузку типа широтно-импульсного преобразователя (ШИП). Если ШИП выполнен на транзисторах, то переходные процессы определяются частотой прямоугольных импульсов порядка 103—10* Гц. Учет С, требуется также при анализе разряда АБ через высокочастотный транзисторный инвертор ( 1.23). При наличии в инверторе моста из диодов, шунтирующих транзисторы, через АБ протекают обратные токи высокой частоты и С, существенно влияет на переходные процессы.

Итак, кинетика анодного растворения германия в кислых и нейтральных растворах определяется электрофизическими свойствами германия и практически не зависит от состава и концентрации электролита. :•

Для растворов малой концентрации зависимость удельной проводимости от концентрации в первом приближении линейна. С увеличением концентрации электролита вследствие взаимодействий между ионами зависимость удельной проводимости от концентрации является существенно нелинейной (при некоторой концентрации наступает максимум проводимости). На практике преобразователи для анализа работают только на монотонных участках зависимости у *= f (С).

где е0 — нормальный потенциал электрода (при нормальной концентрации электролита (1 г • моль/л) и температуре 18 °С; К = == 8,3144Дж/(К • моль) — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура; п — валентность ионов; F =» 9,6485 X X Ю4 Кл/моль — число Фарадея.

Вследствие конечной скорости диффузии при данной концентрации электролита к катоду в единицу времени может подходить только конечное число носителей заряда — ионов вещества. Поэтому, если пытаться беспредельно увеличивать электрический ток через ячейку, то при каком-то токе будут использованы все ионы, приносимые к катоду диффузией, и дальнейший рост тока прекратится .

дни разряда, что объясняется главным образом уменьшением концентрации электролита у поверхности пластин по отношению, к средней плотности электролита в сосуде. Затем вследствие диффузии серной кислоты из сосуда к поверхности пластин и внутрь активной массы создается равновесие и плотность электролита у пластин остается почти неизменной. Соответственно напряжение аккумулятора также изменяется незначительно. На определенной стадии разряда напряжение вновь начинает резко снижаться вследствие увеличения количества сульфата свинца на пластинах, который заполняет поры активного материала и препятствует проникновению в них серной кислоты, а также значительно увеличивает внутреннее сопротивление аккумулятора.

Для растворов малой концентрации зависимость удельной проводимости от концентрации в первом приближении линейна. С увеличением концентрации электролита вследствие взаимодействий между ионами зависимость удельной проводимости от концентрации является существенно нелинейной (при некоторой концентрации наступает максимум проводимости). На практике преобразователи для анализа работают только на монотонных участках зависимости Y = / (Q-

где е0 — нормальный потенциал электрода (при нормальной концентрации электролита (1 г • моль/л) и температуре 18 °С; R — = 8,3144Дж/(К • моль) — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура; п — валентность ионов; F = 9,6485 X X 104 Кл/моль — число Фарадея.

Поляризация зависит от химической природы и структуры электрода, состава и концентрации электролита, плотности тока, температуры, конструкции электрода. Для. некоторых (в основном окис-ных) электродов наблюдается зависимость поляризации от степени разряженное™ электрода.

Внутреннее сопротивление г представляет собой сумму сопротивлений электродов и электролита. Эта величина зависит от удельной электропроводности материалов электродов, природы и концентрации электролита, размера электродов и расстояния между цими. Первичные элементы обычно имеют внутреннее сопротивление г, равное 1 — 20 Ом, для аккумуляторов эта величина составляет 0,001—5 Ом.

Во втором случае атомы вводимой примеси имеют меньшее число валентных электронов, чем атомы полупроводника. Поэтому атомам примеси не хватает валентных электронов для образования всех химических связей с окружающими их атомами полупроводника. Недостающие электроны могут быть захвачены атомами примеси у соседних атомов полупроводника, для чего необходима небольшая энергия ЕА ( 3, в). При этом атомы примеси приобретают отрицательный заряд, а в валентной зоне на месте захваченного электрона образуется дырка. Введение в полупроводник таких примесей, называемых акцепторными, приводит к воз]эастанию концентрации дырок в валентной зоне при неизменной концентрации электронов в зоне проводимости. Полупроводники, легированные акцепторной примесью, называют дырочными, или полупроводниками р-типа электропроводности.

На электропроводность полупроводника существенное влияние оказывает наличие в нем атомов различных примесей. При добавлении в полупроводник, относящийся к IV группе периодической системы элементов Д.И.Менделеева, элементов Vгруппы образуются валентные связи между атомами примеси и четырьмя атомами полупроводника. При этом пятый валентный электрон примеси оказывается избыточным и значительно слабее связанным со своим атомом, чем остальные четыре. При сообщении кристаллу небольшого количества дополнительной энергии (значительно меньшей, чем ширина запрещенной зоны AW) избыточный электрон переходит в зону проводимости и становится свободным. При увеличении содержания атомов примеси возрастает число электронов в зоне проводимости, а число дырок при этом не меняется. При значительном увеличении концентрации электронов по сравнению с концентрацией дырок ток в основном переносится электронами. В этом случае электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными. Примеси, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются донорными или донорами.

Из уравнения (1.5) следует, что удельная суммарная проводимость зависит от концентрации электронов п, дырок р и их подвижностей

Плотность электронного диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации: jno = "qDn (dn/dx), где Dn — коэффициент диффузии электронов; dn/dx — градиент концентрации электронов.

По аналогии с контактом металл — полупроводник, свойства которого рассмотрены в гл. 1, несимметричная структура МДМ имеет выпрямительную вольт-амперную характеристику, по форме которой можно судить о физических процессах, протекающих в структуре МДМ. При приложении к этой структуре внешнего напряжения U в проводящем направлении, т. е. когда разность между потенциалами (рг и ф2 начинает возрастать, увеличивается инжек-ция. Это приводит к- возникновению перераспределения концентрации электронов, потенциала и напряженности электрического поля в диэлектрике. В результате возрастает плотность тока / и появляется область токов, ограниченных пространственным зарядом. Величина этого заряда зависит от внешнего электрического поля, т. е. изменяется при изменении величины U.

Рассмотрим физическую картину образования р — «-перехода (. 3.1). Представим, что два объема полупроводника N и Р разделены плоскостью R. Левая часть объема N имеет электронную проводимость, и в ней преобладают донорные примеси. Правая часть объема Р имеет дырочную проводимость, и в ней преобладают акцепторные примеси. При отсутствии контакта по плоскости /? концентрации электронов и дырок в обеих частях резко различаются: концентрация электронов в объеме N значительно превышает их концентрацию в объеме Р, а концентрация дырок в объеме Р значительно превышает их концентрацию в объеме N.

Предположим, что начальные концентрации электронов и дырок в состоянии равновесия равны соответственно п0 и р0. В неравновесном состоянии появляются избыточные концентрации электронов An и дырок Ар. В этом случае суммарные неравновесные концентрации электронов и дырок можно представить в виде п=п0 + Дп, р = РО + Ар.

С течением времени концентрация носителей в рассматриваемом объеме изменяется. Через интервал времени, равный Д^, концентрация изменится и станет равной n (x, t+&t). Изменение концентрации электронов Дп (х, f), имеющее место в объеме Д* за время Д^, равно разнице между количеством электронов в начальном (при времени 0 и в конечном (при времени t + Д<) состояниях:

4.2 видно, что в точке х — О концентрации электронов и дырок равны, т. е. п = р. В этой точке концентрация носителей будет минимальной и равной концентрации гаг в собственном полупроводнике. В области идеального р — «-перехода выполняются условия п = р = nt; Nd — Na, т. е. количество дырок равно, поэтому суммарная плотность объемного заряда будет равна нулю:

1.9. Графики концентрации электронов в ионосфере и характер распространения в ней радиоволн:

Работа перехода при внешнем смещении. Высоту потенциального барьера любого перехода можно изменять в широких пределах с помощью внешних источников питания. Если положительный зажим источника U подключить к контакту слоя р, а отрицательньш зажим - к контакту слоя п, то приложенная ЭДС нарушит равновесие в системе, потенциальный барьер понизится до значения (f— U, и диффузионный поток электронов из слоя п в слой р увеличится. Изменение концентрации электронов в приграничных областях сопровождает-