§ 108. Природа электрического тока в полупроводниках.

В § 2 мы говорили уже о том, что подавляющее большин­ство веществ не принадлежит ни к числу таких хороших диэлектриков, как янтарь, кварц или фарфор, ни к числу таких хороших проводников тока, как металлы, а занимает промежуточное положение между теми и другими. Их называют полупроводниками. Удельные проводимости раз­личных тел могут иметь очень сильно отличающиеся зна­чения. Хорошие диэлектрики имеют ничтожную проводи­мость: от 10"“ до 10~^1а См/м; проводимость металлов, на­оборот, очень велика: от 10^е до 10⁸ См/м (табл. 2). Полу­проводники по своей проводимости лежат в интервале меж­ду этими крайними пределами.

Особый научный и технический интерес представляют так называемые электронные полупроводники. Как и в металлах, прохождение электрического тока через такие полупроводники не вызывает никаких химических изме­нений в них; следовательно, мы должны сделать вывод, что и в них свободными носителями заряда являются электроны, а не ионы. Иными словами, проводимость этих полупроводников, как и металлов, является электронной. Однако уже огромное количественное различие между удельными проводимостями указывает на то, что сущест­вуют весьма глубокие качественные различия в условиях прохождения электрического тока через металлы и через полупроводники. Ряд других особенностей в электриче­ских свойствах полупроводников также указывает на существенные различия между механизмом проводимости металлов и полупроводников.

Удельная проводимость о есть ток, проходящий через единичное сечение под действием электрического поля, напряженность которого равна 1 В/м. Ток этот будет тем больше, чем больше скорость и, приобретаемая в этом поле носителями зарядов, и чем больше концентрация носите­

лей зарядов п, т. е. число их в единице объема. В жидких и твердых телах и неразреженных газах вследствие «тре­ния», испытываемого движущимися зарядами, скорость их пропорциональна напряженности поля. В этих случаях скорость и, соответствующую напряженности поля 1 В/м, называют подвижностью заряда.

Если заряды движутся вдоль поля со скоростью и, то в единицу времени через единичное сечение пройдут все заряды, находящиеся на расстоянии и или меньшем от этого сечения (рис. 183). Заряды эти заполняют объем и

[м³], и число их равно пи. Пере­носимый ими через единичное сечение в единицу времени за­ряд равен nuq, где q—заряд носителя тока. Следовательно,

]/

и

Рис. 183. К выводу соотно­шения a=nuq

o = nuq. (108.1)

Различие в проводимости металлов и полупроводников

связано с огромным различием в концентрации носителей тока. Измерения показали, что в 1 м³ металлов имеется 10?⁸—10^2В электронов, т. е. на каждый атом металла прихо­дится примерно по одному свободному электрону. В полу­проводниках же концентрация электронов проводимости во много тысяч и даже миллионов раз меньше.

Следующее важное различие в электрических свой­ствах металлов и полупроводников заключается в харак­тере зависимости проводимости этих веществ от темпера­туры. Мы знаем (§ 48), что при повышении температуры сопротивление металлов растет, т. е. проводимость их уменьшается, проводимость же полупроводников при по­вышении температуры растет. Подвижность электронов в металлах уменьшается при нагревании, а в полупровод­никах она, в зависимости от того, какой температурный интервал рассматривается, может как уменьшаться, так и возрастать с температурой.

Тот факт, что в полупроводниках, несмотря на умень­шение подвижности, проводимость при повышении тем­пературы растет, свидетельствует о том, что при повышении температуры в полупроводниках происходит очень быст­рое возрастание числа свободных электронов, и влияние этого фактора пересиливает влияние уменьшения подвиж­ности. При очень низкой температуре (вблизи О К) в по­лупроводниках имеется ничтожно малое число свободных электронов, и поэтому они являются почти совершенными

диэлектриками; проводимость их чрезвычайно низка. С воз­растанием температуры число свободных электронов резко возрастает, и при достаточно высокой температуре полу­проводники могут иметь проводимость, приближающуюся к проводимости металлов.

Эта сильная зависимость числа свободных электронов от температуры является самой характерной особенностью полупроводников, резко отличающей их от металлов, в которых число свободных электронов от температуры не зависит. Она указывает на то, что в полупроводниках, для того чтобы перевести электрон из «связанного» состояния, в котором он не может переходить от атома к атому, в «свободное» состояние, в котором он легко перемещается по телу, необходимо сообщить этому электрону некоторый запас энергии W. Эта величина W, называемая энергией ионизации, для разных веществ различна, но в общем имеет значения от нескольких десятых электронвольта до нескольких электронвольт. При обычных температу­рах средняя энергия теплового движения много меньше этой величины, но, как мы знаем (см. том I), некоторые частицы (в частности, некоторые электроны) имеют ско­рости и энергии значительно большие, чем среднее зна­чение. Определенная, очень небольшая доля электронов имеет достаточный запас энергии, чтобы перейти из «свя­занного» состояния в «свободное». Эти электроны и обус­ловливают возможность прохождения электрического тока через полупроводник даже при комнатной температуре.

С повышением температуры число свободных электро­нов очень быстро возрастает. Так, например, если энер­гия, необходимая для освобождения электрона, W— 1 эВ, то при комнатной температуре примерно только один электрон на 10¹³ атомов будет иметь запас тепловой энер­гии, достаточный для его освобождения. Концентрация свободных электронов будет очень мала (около 10¹⁶ м~³), но все же достаточна для создания измеримых электриче­ских токов. Но если мы понизим температуру до —80 °С, то число свободных электронов уменьшится приблизи­тельно в 500 миллионов раз, и тело практически будет представлять собой диэлектрик. Напротив, при повышении температуры до 200 °С число свободных электронов воз­растет в 20 тысяч раз, а при повышении температуры до 800 °С —■ в 500 миллионов раз. Проводимость тела при этом будет быстро возрастать, несмотря на противодей­ствующее этому возрастанию уменьшение подвижности свободных электронов.

Таким образом, основное и принципиальное различие между полупроводниками и металлами заключается в том, что в полупроводниках, для того чтобы перевести электрон из связанного состояния в свободное, нужно сообщить ему некоторую добавочную энергию, а в металлах уже при самой низкой температуре имеется большое число свобод­ных электронов. Силы молекулярного взаимодействия в металлах сами по себе оказываются достаточными для того, чтобы освободить часть электронов.

Очень быстрое возрастание числа свободных электронов в полу­проводниках при повышении их температуры приводит к тому, что из­менение сопротивления полупроводников с температурой в 10—20 раз больше, чем у металлов. Сопротивление металлов изменяется в среднем па 0,3 % при изменении температуры на 1 °С; у полупроводников же по­вышение температуры на 1 °С может изменить проводимость на 3— —6%, а повышение температуры на 100 °С — в 50 раз.

Полупроводники, приспособленные для использования их очень большого температурного коэффициента сопротивления, получили в технике название термосопротивлений (или термисторов). Термосопро­тивления находят много очень важных и все расширяющихся приме­нений в самых разнообразных областях техники: для автоматики и те­лемеханики, а также в качестве очень точных и чувствительных термо­метров.

Термометры сопротивления, или, как их называют, болометры ¹), применялись в лабораторной практике уже давно, но раньше они из­готовлялись из металлов, и это было связано с рядом трудностей, огра­ничивавших область их применения. Болометры приходилось делать из длинной тонкой проволоки, чтобы общее их сопротивление было доста­точно велико по сравнению с сопротивлением подводящих проводов. Кроме того, изменение сопротивления металлов очень мало, и измерение температуры с помощью металлических болометров требовало чрезвы­чайно точного измерения сопротивлений. От этих недостатков свобод­ны полупроводниковые болометры, или термосопротивления. Их удель­ное сопротивление настолько велико, что болометр может иметь размеры в несколько миллиметров или даже несколько десятых долей миллимет­ра. При таких малых размерах термосопротивление чрезвычайно быстро принимает температуру окружающей среды, что позволяет измерять температуру небольших предметов (например, листьев растений или отдельных участков человеческой кожи).

Чувствительность современных термосопротивлений настолько ве­лика, что с их помощью можно обнаруживать и измерять изменения тем­пературы на одну миллионную долю- кельвина. Это дало возможность применять их в современных приборах для измерения интенсивности очень слабого излучения вместо термостолбиков (§. &5).

В тех случаях, которые мы рассматривали выше, до­бавочная энергия, необходимая для освобождения элект­рона, сообщалась ему за счет теплового движения, т. е.

за счет запаса внутренней энергии тела. Но эта энергия может передаваться электронам и при поглощении телом световой энергии. Сопротивление таких полупроводников при действии на них света значительно уменьшается. Это явление получило название фотопроводимости или внут­реннего фотоэлектрического эффекта ²). Приборы, ос­нованные на этом явлении, в последнее время все шире используются в технике для целей сигнализации и авто­матики.

Мы видели, что в полупроводниках лишь очень неболь­шая доля всех электронов находится в свободном состоя­нии и участвует в создании электрического тока. Но не следует думать, будто постоянно одни и те же электроны находятся в свободном состоянии, а все остальные — в связанном. Напротив, в полупроводнике все время идут два противоположных процесса. С одной стороны, идет процесс освобождения электронов за счет внутренней или световой энергии; с другой стороны, идет процесс захвата освобожденных электронов, т. е. воссоединения их с тем или иным из оставшихся в полупроводнике ионов — ато­мов, потерявших свой электрон. В среднем каждый осво­божденный электрон остается свободным лишь очень ко­роткое время — от 10^_3 до 10~⁸ с (от одной тысячной до одной стомиллионной секунды). Постоянно некоторая доля электронов оказывается свободной, но состав этих свободных электронов все время изменяется: одни элект­роны переходят из связанного состояния в свободное, другие — из свободного в связанное. Равновесие между связанными и свободными электронами является подвиж­ным, или динамическим.

§ 109. Движение электронов в полупроводниках. Полупровод­ники с электронной и дырочной проводимостью. В преды­дущем параграфе мы видели, что в полупроводниках, как и в металлах, электрический ток осуществляется движением электронов. Однако условия и характер движения элект­ронов в полупроводниках отличаются существенными особенностями, и это обусловливает своеобразные элект­рические свойства полупроводников.

В металлах концентрация свободных электронов очень велика, так что большая часть атомов оказывается иони­зованной; практически вся проводимость металлов объяс­няется поведением «свободных электронов», как об этом говорилось в гл. VII. В полупроводниках же, где кон­центрация свободных электронов значительно меньше, нужно учитывать, наряду с движением в электрическом поле этих свободных электронов, и другой процесс, ко­торый может играть не меньшую роль в их проводимости.

Сравнительно немногочисленные электроны, сделавшиеся свободными, оторвались от некоторых атомов полупро­водника, которые, таким образом, превратились в ионы. Каждый из таких ионов окружен большим числом нейт­ральных атомов. Нейтральные атомы, находящиеся в не­посредственной близости к иону, могут легко отдавать ему свой электрон, делая ион нейтральным, но сами пре­вращаясь в ионы. Таким образом, этот обмен электронами приводит к тому, что место положительного иона в полу­проводнике меняется, т. е. дело обстоит так, как будто переместился положительный заряд. Итак, наряду с пере­мещением свободных электронов, в полупроводнике может происходить процесс, имеющий характер перемещения положительных зарядов.

Пока в полупроводнике не действует внешнее элект­рическое поле, оба эти процесса имеют хаотический ха­рактер, так что в среднем каждому электрону, смещенному в одном направлении, соответствует перемещение элект­рона в противоположном направлении; то же происходит и с перемещением положительно заряженных мест. Но при наложении поля оба процесса получают преимущест­венное направление: свободные электроны движутся в некотором избытке против поля, а положительные места — в некотором избытке по полю. Оба эти преимущественные перемещения дают ток одного направления (по полю), и результирующая проводимость обусловливается обоими процессами.

Рис. 184 иллюстрирует описанный процесс. Если мы представим себе цепочку атомов полупроводника, в одном месте которой образовался положительный ион 1, то под действием сил поля будет происходить перенос электрона от атома 2 к иону 1, затем от атома 3 к иону 2, от атома 4 к иону 3 и т. д., а результатом будет перемещение поло­жительного заряженного места в обратном направлении.

Таким образом, в полупроводнике имеет место и дви­жение свободных электронов против поля и перенос их от нейтральных атомов к ионам, равносильный движению положительного заряда по направлению поля.

То место полупроводника, где вместо нейтрального атома имеется положительный ион, называют дыркой и

£

Рис. 184. Грубая модель «ды­рочной» проводимости в полу­проводниках: светлые круж­ки — нейтральные атомы, тем­ный кружок — положительный ион. Стрелками указано направ­ление последовательных пере­ходов электронов от нейтраль­ных атомов к ионам. Место по­ложительного заряда переме­щается в обратном направле­нии — по полю

1 2 3 4 5 е

•ЮО ООО _ _ _ - - __ OfUOOOQ

~1 г з % g 7Г

оовиэоо

4-

2 3 4 1 ~

ООФЮО

говорят, что ток в проводнике осуществляется частично движением свободных электронов против поля и частично движением дырок по полю. Нужно только помнить при этом, что фактически всегда имеет место только движение электронов, но движение связанных электронов от атомов к ионам приводит к такому результату, как будто движутся положительно заряженные дырки. Встречаясь с дыркой, свободный электрон может воссоединиться с положитель­ным ионом. При этом свободный электрон и дырка исче­зают. Этот процесс называют рекомбинацией.

В идеально чистом полупроводнике без всяких чуже­родных примесей каждому освобожденному тепловым дви­жением или светом электрону соответствовало бы образо­вание одной дырки, т. е. число участвующих в создании тока электронов и дырок было бы одинаково.

Однако такие идеально чистые полупроводники в при­роде не встречаются, а изготовить их искусственно не­обычайно трудно. Малейшие следы примесей коренным образом меняют свойства полупроводников. В одних случаях влияние примесей проявляется в том, что «дыроч­ный» механизм проводимости становится практически не­возможным, и ток в полупроводнике осуществляется только движением свободных электронов. Такие полу- .проводники называются электронными полупроводниками или полупроводниками «-типа (от латинского слова nega- tivus — отрицательный). В других случаях невозможным становится движение свободных электронов, и ток осуще­ствляется только движением дырок. Эти полупроводники называются дырочными полупроводниками или полупро­водниками p-типа (от латинского слова positivus — по­ложительный).

Наряду с полупроводниками р- и я-типа, могут быть, разумеется, и полупроводники смешанного типа, в которых заметную роль играет и электронная и дырочная прово­димость. В. частности, смешанную проводимость мы имеем в рассмотренном выше беспримесном полупроводнике.

Чем объясняется это различие, мы покажем на примере важнейшего с точки зрения технических применений полупроводника — германия. Германий — химический элемент с порядковым номером 32 и атомной массой 72,59. В периодической системе элементов он находится в чет­вертом столбце и, как все элементы этой группы, является четырех­валентным, т. е. обладает четырьмя связями (валентными электронами),

Рис. 185. Схема строения кристалла германия: кружки с цифрой «+ 4»— атомы германия, кружки с цифрами «+5» и «+3» — внедренные в гер­маний атомы пятивалентного мышьяка и трехвалентного индия

позволяющими ему соединяться с другими элементами. На рис. 185 условно изображено строение кристалла германия. Кружки с цифрами «+4» изображают отдельные атомы германия, каждый из которых свя­зан с четырьмя своими соседями парными связями (двойные линии на рис. 185). Эта связь создается взаимодействием одного из валентных электронов данного атома с одним из валентных электронов его соседа. Если под действием теплового движения или поглощенного света в ка­ком-нибудь месте кристалла (точка а на рис. 185) произойдет отрыв элек­трона, то там возникает незанятое место (дырка), а оторванный электрон становится свободным. Описанное выше перемещение электронов и ды­рок под действием сил поля обусловливает, как говорят, собственную проводимость германия. Число их относительно невелико: дырок и электронов при комнатной температуре имеется 2,5-10¹⁹ в 1 м³, тогда как число атомов в 1 м³ германия равно 4,2 -10²⁸,

Представим себе теперь, что в германии имеется небольшая примесь какого-нибудь пятивалентного элемента, скажем мышьяка, т. е. что небольшая доля атомов германия в кристалле замещена атомами мышья­ка (точка Ь на рис. 185). У мышьяка имеется пять валентных электронов, обеспечивающих его связи с другими атомами. Когда атом мышьяка за­мещает атом германия, то четыре из этих электронов образуют прочные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый оказывается связанным очень слабо и даже при комнатной температуре очень легко становится свободным за счет энергии теплового движения. Таким обра­зом, почти каждый введенный в германий атом мышьяка создает один лишний свободный электрон. Число же дырок при этом не увеличива­ется, потому что оставшийся ион мышьяка прочно связан с четырьмя сво­ими соседями двойными связями и переход электронов от соседних ней­тральных атомов к иону мышьяка невозможен. Если даже количество введенного мышьяка очень мало, например составляет только одну миллионную долю числа атомов германия, то эта примесь даст в 1 ы³ около 10²² дополнительных электронов, т. е. примерно в 1000 раз боль­ше, чем их имелось в чистом германии, но не увеличит числа дырок. В та­ком полупроводнике свободные электроны являются основными, т. е. представленными в большинстве носителями заряда, а дырки — неоснов­ными, т. е. представленными в меньшинстве. Иными словами, германий с примесью (даже очень малой) мышьяка становится электронным про­водником (п-типа).

Представим себе теперь, что мы ввели в германий примесь какого- нибудь трехвалентного элемента, например индия (точка с на рис. 185). Так как у индия имеется всего три валентных электрона, то он будет прочно связан только с тремя соседними атомами германия, а четвертая связь будет незаполнена. При этих условиях какой-нибудь электрон соседнего атома может легко оторваться от своего атома и заполнить эту связь, а соответствующий атом превратится в ион (дырку), связанный с соседними атомами только тремя связями. Атом индия при этом окажется заряженным отрицательно. После этого электрон какого-нибудь сосед­него атома может оторваться и заполнить недостающую связь у иона, а сам этот атом превратится в положительный ион и т. д. Таким образом, место, где находится положительный заряд, будет перемещаться по кри­сталлу. В поле это перемещение дырок носит направленный характер, происходит преимущественно по направлению поля, т. е. создает элек­трический ток. Мы видим, что введение в германий примеси индия уве­личивает число дырок, не увеличивая числа свободных электронов. Та­кой полупроводник является дырочным полупроводником (р-типа), т. е. в нем дырки являются основными носителями заряда, а электроны — не­основными.

Разобранный нами пример германия с примесями мышьяка и ин­дия является относительно простым. На практике приходится встре­чаться и с более сложными случаями влияния примесей на электриче­ские свойства полупроводников. Но во всяком случае этот пример пока­зывает, каким образом даже ничтожные следы примесей могут корен­ным образом изменять электрические свойства полупроводников и ме­ханизм прохождения через них тока. Это создает много трудностей в работе с полупроводниками, но это же обеспечивает и возможность по­лучения полупроводников, с разнообразными свойствами, дающими воз­можность применять их для решения очень важных и разнообразных технических задач.

Различие между электронной и дырочной проводимостью полупро­водников позволило объяснить ряд фактов, которые раньше казались загадочными. В § 84, например, говоря о полупроводниковых термо­элементах, мы указали, что в одних случаях ток в горячем спае течет от металла к полупроводнику, а в других случаях — от полупроводника к металлу. Теперь мы можем понять, в чем здесь дело. В электронном полупроводнике скорость электронов в горячем конце больше, чем в холодном. Поэтому электроны просачиваются или, как говорят, диффун­дируют от горячего конца к холодному до тех пор, пока создающееся вследствие такого перераспределения зарядов электрическое поле не остановит этот поток диффундирующих электронов. Когда такое рав­новесие установится, то горячий конец, потерявший электроны, окажется заряженным положительно, а холодный конец, получивший избыток электронов, зарядится отрицательно. Иными словами, между горячим и холодным концами возникает некоторая положительная разность потенциалов.

В дырочном полупроводнике, наоборот, диффундируют от горячего конца к холодному дырки. Горячий конец заряжается отрицательно, а холодный — положительно. Знак разности потенциалов между горячим и холодным концами обратный.

§ 110. Полупроводниковые выпрямители. В местах контак­та между двумя полупроводниками с разным механизмом проводимости — дырочным и электронным — наблюдается рйд замечательных явлений. Оказывается, что место кон­такта таких полупроводников обладает весьма различной проводимостью в зависимости от того, будет ли электри­ческое поле направлено от р-полупроводника к «-полу­проводнику или наоборот. Если, например, привести в соприкосновение закись меди (Си₂0), имеющую дырочную проводимость, и двуокись титана (ТЮ₂), имеющую элект­ронную проводимость, то при одном и том же напряже­нии ток в направлении от закиси меди к двуокиси титана будет в 10 ООО раз сильнее, чем в обратном направлении.

Чтобы понять причину этих явлений, нужно разо­браться в процессах, происходящих на так называемых р — n-переходах, т. е. на границе соприкосновения ды­рочных и электронных полупроводников. В электронном проводнике основными носителями тока являются свобод­ные электроны, число которых гораздо больше, чем число дырок. В дырочном проводнике, наоборот, число дырок гораздо больше, чем число свободных электронов. Когда мы приводим эти два вещества в соприкосновение, то электроны начинают диффундировать из «-полупровод­ника, где их концентрация выше, в р-полупроводник, где их имеется меньше, подобно тому как атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого раствора в слабый, если привести растворы в соприкосновение. Точно так же и по тем же причинам дырки будут диффундировать из дырочного полупроводника в электронный. В результате этого пограничный слой обоих полупроводников обедня­

ется основными носителями, т. е. на границе создается так называемый запирающий слой, сопротивление кото­рого значительно больше, чем сопротивление всей толщи обоих полупроводников. Фактически именно сопротивле­нием этого запирающего слоя и определяется сопротив­ление всего тела.

Естественно возникает вопрос: до каких пор будет происходить уход дырок из р-полупроводника в «-полу­проводник и уход электронов в обратном направлении? Ответить на этот вопрос нетрудно. Так как из дырочного полупроводника уходят положительные заряды, а прите­кают в него электроны, то вблизи границы этот полупро­водник заряжается отрицательно. Точно так же пограничный слой электронного полупроводника заряжается поло­жительно, так как сюда притекают дырки, а отсюда ухо­дят электроны. Таким образом, вблизи границы возникает двойной электрический слой, в котором поле направлено от электронного полупроводника к дырочному, т. е. про­тиводействует диффузии электронов и дырок (поле Е на

Электроны (п) Дырки (р)

©	©	©	©	©	©	©	©	©	©	©	©
0	©	©	©	©	©	©	©	©	©	©	©
©	©	©	©	©	©	©	©	©	©	©	©

Е 5-

Рис. 186. Возникновение запирающего слоя на границе «-полупровод­ника и р-полупроводника: Е — поле, препятствующее диффузии электронов и дырок

рис. 186). Когда это поле достигнет такой напряженно­сти, что его действие уравновесит стремление свободных электронов и дырок диффундировать в «чужие» области, будет достигнуто равновесие, и дальнейшая диффузия прекратится.

Представим себе теперь, что мы присоединили пла­стинку к батарее так, что электронный проводник соединен с минусом батареи, а дырочный — с плюсом (рис. 187, а). Внешнее поле, которое сосредоточено преимущественно в запирающем слое, имеющем наибольшее сопротивление, будет направлено от дырочного полупроводника к элект­ронному. Дырки и электроны будут двигаться к границе, навстречу друг другу; встречаясь, они могут рекомби­нировать, а на то место будут приходить из электродов новые свободные электроны и дырки и т. д. Сопротивле­

ние слоя будет сравнительно невелико и ток в этом про­пускном направлении будет большим. Если же мы при­соединим плюс батареи к электронному проводнику, а минус к дырочному, то внешнее поле будет двигать электро­ны и дырки от границы в противоположные стороны (рис. 187, б), запирающий слой будет расширяться, и сопротивле­ние тела резко возрастет.

G'~©

е~©

иь

V ,.. Ю

Рис. 187. Движение свободных электронов (кружки со знаком «—») и дырок (кружки со знаком «+») при прохождении тока через р — п- переход: а) пропускное включение; б) запирающее включение

В настоящее время выяснилось, что именно этим меха­низмом обусловлено сильное выпрямляющее действие так называемых медно-закисных (купроксных) и селеновых выпрямителей, разработанных чисто эмпирическим путем, без ясного понимания происходящих в них физических процессов. Медно-закисный выпрямитель представляет со­бой медную пластинку, на которой при температуре свыше 1000 °С наращивается слой закиси меди (Си₂0); затем при температуре около 600 °С этот слой насыщается кислородом и быстро охлаждается. После этого растворяют кислотой образовавшийся на поверхности закиси слой окиси меди (СиО) и наносят на закись слой металлической меди.

Если приготовленную таким образом пластинку вклю­чить в цепь батареи (рис. 188), то оказывается, что при таком направлении тока, когда он идет от закиси меди к медной пластинке, ток очень большой, т. е. сопротивление пластинки очень мало. Если же поменять местами полюсы батареи, т. е. заставить ток идти от медной пластинки к закиси меди, то сила тока станет в тысячи раз меньше, в этом направлении пластинка имеет сопротивление в ты­сячи раз большее. Таким, образом, пластинка представляет собой электрический вентиль, подобный двухэлектродной лампе (§ 106): она пропускает ток в одном направлении и почти не пропускает его в обратном направлении. При­чина явления заключается в том, что на основном медном электроде имеется слой закиси меди, содержащий примеси меди и других металлов; этот слой является электронным полупроводником. Но внешний слой закиси, обогащенный

кислородом, является дырочным полупроводником. Таким образом, в толще закиси меди имеется р — «-переход, т. е. существует граница между полупроводниками р- и «-типа. Здесь и возникает запирающий слой, обусловли­вающий одностороннюю проводимость.

Такими же свойствами обладает селеновый выпрями­тель. Он представляет собой нанесенный на никелирован­ную железную пластинку слой селена, поверх которого наносится второй электрод из сплава кадмия, олова и

Рис. 188. Через медно-закисный выпрямитель проходит сильный ток при включении по схеме а) и очень слабый при включении по схеме б): 1 — закись меди, обогащенная кислородом, 2 — напыленная медь, 3 — закись меди, 4 — медь

висмута. После длительного прогрева и пропускания тока такая система тоже приобретает свойство односторонней проводимости. В селеновых выпрямителях запирающий слой образуется также на границе между селеном (дыроч­ным полупроводником) и селенистым кадмием, который возникает в процессе обработки пластин и имеет элек­тронный механизм проводимости.

В настоящее время широкое распространение в технике, особенно в радиотехнике, получили полупроводниковые выпрямители из герма­ния, кремния и других полупроводников.Мы видели в предыдущем пара­графе, что характер проводимости германия-можно изменять, вводя в не­го небольшое число примесных атомов того или другого рода. Если, на­пример, на одной из поверхностей германия с электронной проводи­мостью расплавить небольшой кусок индия, то тонкий поверхностный слой, в который проникнут на некоторую глуб-ину атомы индия, станет дырочным полупроводником и в толще германия создастся р — «-пере­ход, который будет иметь выпрямляющее свойство (одностороннюю про­водимость). На рис. 189 показано устройство одного из типов таких германиевых выпрямителей, а на рис. 190 — его вольтамперная харак­теристика, т. е. кривая, изображающая зависимость силы тока через выпрямитель от приложенного к нему напряжения, Мы видим изэтой

20мм

Рис. 189. Германиевый выпрями­тель: а) общий вид; б) сечение, 1— германиевая пластинка, 2— вольф­рамовая пружинка с острием, 3— керамический цилиндр, 4 — ла­тунные держатели; в) условное изображение

Рис. 190. Вольтамперная характеристика германиевого выпрямителя

кривой, что в пропускном направлении ток равен 1 А уже при напря­жении 0,75 В, т. е. сопротивление германия очень мало. В запираю­щем же направлении ток очень мал (около 0,05 мА) и практически не зависит от напряжения вплоть до напряжения около 400 В, когда на­ступает пробой ¹).

Из германия, кремния и других полупроводников с р— тг-перехо- дами в настоящее время изготовляют также и полупроводниковые уси­

лители (транзисторы), которые заменяют трехэлектродную усилитель­ную электронную лампу. Такие приборы во многих случаях имеют большие преимущества по сравнению с вакуумными электронными лампами, так как они обладают гораздо меньшими размерами, имеют значительно больший срок службы и требуют меньшей мощности пита­ния, чем электронные лампы.

§ 111. Полупроводниковые фотоэлементы. Если в каком-ни­будь полупроводниковом выпрямителе, например медно- закисном, селеновом или кремниевом, сделать внешний элек­трод настолько тонким, чтобы он был прозрачен для света, то при освещении полупроводника в цепи, в которую он включен, возникает электрический ток (рис. 191). Таким

а) 5)

Рис. 191. При действии света на полупроводниковый фотоэлемент в цепи возникает ток: а) общий вид установки; б) схема опыта

образом, в этих случаях свет является источником э. д. с., т. е. пластинка полупроводника представляет собой ге­нератор электрического тока, в котором световая энергия преобразуется в электрическую.

При сильном освещении полупроводниковые фотоэле­менты могут давать довольно значительную э. д. с. (до 1 В) и довольно большой ток. К. п. д. лучших фотоэлементов превышает 20 %. Поэтому стала реальной возможность их использования в качестве достаточно экономичных источников тока. Эти источники называют солнечными бата­реями, так как их можно использовать для прямого пре­образования энергии излучения Солнца в электрическую. Кремниевые солнечные батареи используются, в частнос­ти, для обеспечения энергией искусственных спутников Земли и космических кораблей. Полупроводниковые фото­элементы широко применяются также для измерения интен­сивности света и для целей автоматики, сигнализации и телеуправления.