3. Односторонняя проводимость р-n перехода

В кристалл полупроводника с одной стороны вносится донорная примесь, а с другой – акцепторная. Граница между областями называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом). Т.к концентрации электронов и дырок по обе стороны перехода различны, благодаря тепловому движению электроны из проводника n-типа будут диффундировать в область р-типа, а дырки – из р в n-область. При этом на границе образуется двойной электрический слой, толщина l которого не превышает долей микрометра.

В переходном слое возникает электрическое поле с напряженностью E_i и контактная разность потенциалов . Поле р-n-перехода препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу раздела. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников.

Если внешнее электрическое поле  благоприятствует движению основных носителей в полупроводниках (направлено от р-области к n-области, рис. а ниже), то электроны в n-области и дырки в p-области будут двигаться навстречу друг другу и рекомбинировать в пограничном слое: электроны «заполняют» дырки. При этом толщина запирающего слоя и его сопротивление уменьшаются.

В этом направлении электрический ток легко проходит через р-n-переход. Такое направление называют прямым.

а б

Е сли же приложено внешнее поле противоположного направления (рис. б), то электроны в n-области и дырки в p-области будут перемещаться от границы в противоположные стороны, что приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Такое направление внешнего электрического поля называется запирающим (обратным). Оно препятствует движению основных носителей через переход и благоприятствует току неосновных носителей (которые в незначительном количестве присутствуют в полупроводниках). Ток при этом очень мал.

Зависимость силы тока от напряжения, т.е. вольт-амперная характеристика  р-n-перехода, изображена на рисунке. Масштаб на рисунке не соблюден: на самом деле силы тока при прямом и обратном переходах отличаются в тысячу раз.

С пособность p-n-перехода пропускать ток в одном направлении используется в полупроводниковых приборах, называемых диодами. На электрических схемах диоды изображаются знаком:

Демонстрации. 1. Вольт-амперная характеристика диода (на эо).

2. Выпрямление переменного тока с помощью диода.

3. Р-n-переходы некоторых полупроводников при пропускании тока прямого направления излучают свет. Это происходит при рекомбинации электронов дырок. Такие устройства называют светодиодами. Они широко применяются в качестве источников света в фонарях и светофорах, в подсветке ЖК-экранов мобильных телефонов, мониторов и т. д.

3. Ток в электролитах

Х имически чистая вода ток практически не проводит. Но при растворении в ней солей, кислот, щелочей раствор приобретает хорошую электропроводность.

Д емонстрация.

А) Чистая вода: ;

б) раствор сахара в воде: ;

в) раствор поваренной соли NaCl: - лампа загорается.

При растворении в воде солей, кислот, щелочей часть молекул диссоциирует на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией; обратный процесс - рекомбинацией. Степень диссоциации (доля диссоциированных молекул) зависит от концентрации раствора и температуры.

Диссоциацию вызывают полярные молекулы воды:

Под действием приложенного электрического поля положительные и отрицательные ионы движутся, соответственно, к катоду и аноду и отдают там избыточные заряды, превращаясь в атомы (нейтрализация).

Ток в электролитах всегда сопровождается выделением на электродах химических составных частей электролита. Это явление называют электролизом (греч. «лизис» - разложение).

Вблизи электродов часто происходят вторичные химические реакции.

П ример. Электролиз раствора NaCl. Катод – пластик или уголь, чтобы избежать химической реакции с натрием.

Ионы движутся к аноду и отдают ему электрон, затем нейтральные атомы хлора объединяются в молекулы . На аноде выделяется газообразный хлор – первичный продукт электролиза.

Ионы движутся к катоду и нейтрализуются на нем. Na, выделяющийся на катоде, вступает в химическую реакцию с водой: . На катоде выделяется вторичный продукт электролиза – газообразный водород. Гидроксид натрия в воде диссоциирует на ионы: . Таким образом, ионы натрия остаются в растворе.

Демонстрации. 1) Электролиз раствора медного купороса . Катод – угольный, анод – медный.

В растворе молекулы диссоциируют: . Ионы движутся к катоду и нейтрализуются. На угольном катоде выделяется чистая медь.

Ионы нейтрализуются на аноде и вступают в реакцию с медью анода: . Медь с анода переходит в раствор (медный анод постепенно растворяется), содержание и в растворе не уменьшается.

При изменении направления тока медь переносится с «бывшего» катода на «бывший» анод.

2) Электролиз уксуснокислого свинца – на катоде растет «свинцовое дерево». При смене направления тока дерево «тает».

Результат электролиза зависит не только от электролита, но и от материала электродов.