lek3

Основним робочим параметром діода є коефіцієнт випрямлення, що установлює відношення прямого і зворотного струмів через прилад при рівних за модулем напругах:

k = I пр ; U пр = U обр. (41.13) Iобр

Особливості вольт-амперної характеристики діода дозволяють зрозуміти його випрямляючу і детектуючу властивості. На рис. 41.10 представлені графіки подаваної на діод синусоїдальної напруги і результат перетворення його в практично знакопостійний пульсуючий струм після діода. Зворотний струм у мільйони разів менше прямого. Проте, його наявність неминуча навіть теоретично.

42 Теплові та електричні властивості металів

1Теплоємність металічних кристалів. Вироджений фермі-газ електронів в металі. Енергія Фермі. Теплоємність електронного газу.

2Термоелектрична емісія. Контактні електричні явища в металах. Термоелектронні явища: Зеєбека, Пельтьє і Томсона.

1Теплоємність металічних кристалів. Вироджений фермі-газ електронів в металі. Енергія Фермі. Теплоємність електронного газу

Як на те було вказано в п. 38.1, класична електронна теорія металів не дає можливості зрозуміти, чому електронний газ вільних електронів, що знаходиться в стані теплової рівноваги з вузлами кристалічних ґраток металічних кристалів не дає свого вкладу в теплоємність металів. Відповідь на це питання дає квантова теорія металів, яка розглядає електронний газ металів, як вироджений фермі-газ (див. п. 40.2), що підкоряється розподілу електронів за енергією Фермі-Дірака

В формулі (42.1) коефіцієнт 2 пов'язаний з тим, що дану енергію можуть мати два електрони з антипаралельними спінами. Таким чином, концентрація електронів з енергіями в інтервалі (Е, E+dE):

Виходячи з того, що EF – це максимальна енергія електронів фермі-газу за 0 К, та виходячи з розглянутих в п. 40.2 властивостей функції ФерміДірака [див. формулу (40.8) та її властивість а) і рис. 40.5], маємо для загальної концентрації електронів:

121

З формули (42.3) випливає, що енергія Фермі:

визначається, в основному, концентрацією електронів провідності. Залежність, незначна, від температури пов’язана, наприклад, із зміною об’єму тіла при зміні температури. Залежність енергії Фермі від температури має таку форму:

що значно перевищує енергію коливань вузлів кристалічних ґраток

E » kT =1,38 ×10-23 ДжК ×300К » 4 ×10-21 Дж » 0,025 еВ. Тобто температура

електронного газу відповідає десяткам тисяч кельвінів, і електронний газ дійсно вироджений і не підкоряється класичному розподілу МаксвеллаБольцмана.

електронного газу. Таким чином,

За значення температури Т→0 К молярна теплоємність електронів провідності також прагне до нуля: СМ→0 і електрони провідності не приймають участі в обміні теплом з вузлами кристалічних ґраток металу. Цим пояснюється виконання закону (39.1), закону Дюлонга-Пті, для металічних кристалів.

122

2 Термоелектрична емісія. Контактні електричні явища в металах. Термоелектронні явища: Зеєбека, Пельтьє і Томсона

Термоелектрична емісія – це явище виходу (емісії) електронів з поверхні розжарюваних твердих (як правило) тіл. Яке на те було вказано в попередньому пункті (див. п. 42.1), електрони провідності в металах за не дуже високих температур знаходяться у виродженому стані з енергіями близькими до енергії Фермі (див п. 40.2, та рис. 40.6). Електрони провідності, таким чином, можна вважати, в першому наближенні, такими, що

нульову енергію. Енергія Фермі – негативна) . Таку енергію електрони провідності можуть отримати за рахунок теплової енергії. Із збільшенням температури графік-сходинка розмивається (крива 2) і, за деякої температури, характерної для кожного матеріалу, частина електронів отримує змогу вийти за межі металу. Ця частина (залита темним кольором частина кривої 3 на рис. 42.1) буде збільшуватись з ростом температури.

Явище термоелектронної емісії можна розглядати як процес випаровування електронів з емітера. На емісію електронів витрачається тим більше теплоти, чим більша робота виходу. Її можна змінювати за рахунок легування металів, наприклад, рідкісноземельними елементами. Процес виходу електронів з металу призводить до створення його додатного електричного заряду, між «випареними» електронами та металом створюється електричне поле, яке втягує емітовані електроні в метал. За стану динамічної рівноваги між емітованими та конденсованими електронами створюється певна концентрація електронів в електронній хмарі, що утримується біля поверхні металу. Вона може бути розрахованою з термодинамічного розгляду системи: емітер – рівноважний електронний газ. Якщо створити зовнішнє електричне поле, то виникне електричний струм,

123

що може зростати до певного значення густини струму, коли всі емітовані електрони приймуть участь у створенні струму – струму насичення. Густина струму насичення j пов’язана з рівноважною концентрацією електронів в електронній хмарі (за даної температури певного емітера) і визначається співвідношенням:

Aв

де А - деяка постійна величина.

124