книги / Физика для бакалавра. Ч. 2

лем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов

вn-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике от границы р-n-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через р-п-переход практически не проходит. Ток

взапирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р- полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

Рис. 32.13

Если приложенное к р-п-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 32.13, б), то оно вызывает движение электронов в п-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе р-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь р-п-переход в направлении от р-полупроводника к n-полупроводнику, оно называется пропу-

скным (прямым).

Таким образом, р-п-переход обладает односторонней проводимостью.

341

На рис. 32.14 представлена вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Как уже указывалось, при пропускном (прямом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к границе р-п- перехода (см. рис. 32.13, б). В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода (тем сильнее, чем больше напряжение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 32.14). Это направление тока называется прямым.

При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе р-п-перехода (см. рис. 32.13, а) и

U, В способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного основными носителями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. По-

этому в данном случае через p-n-переход протекает только небольшой ток (он называется обратным), полностью обусловленный неосновными носителями тока (левая ветвь на рис. 32.14). Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь переменного тока р-n-переходы действуют как выпрямители.

32.5. Полупроводниковые диоды и триоды

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы – диода.

342

Выпрямителем называется устройство, состоящее из двух различных металлических электродов, между которыми заключен слой полупроводника, и обладающее тем свойством, что его сопротивление зависит как от величины, так и от полярности приложенного к нему напряжения. Иногда это свойство называют вентильным.

Типичными примерами полупроводниковых выпрямителей являются германиевые и кремниевые выпрямители. В них исполь- зуетсясвойствоодностороннейпроводимостиp-n-перехода.

Вольт-амперная характеристика диода выражает зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к нему напряжения (рис. 32.15, где 1 – при нормальной температуре, 2 – при повышенной, 3 – при пониженной).

Iпр, мкА

1 2 3

Рис. 32.15

Ветвь, расположенная в первом квадрате, соответствует прямому (пропускному) значению тока, а в третьем квадрате – обратному (закрытому). Чем круче и ближе к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При достаточно боль-

343

шом обратном напряжении у диода наступает пробой, т.е. резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного.

Токи диодов зависят от температуры (см. рис. 32.15). Прямые ветви (кривые 1 и 2) характеристик диодов некоторых типов могут пересекаться в области больших токов. Если через диод протекает постоянный ток, то при изменении температуры, напряжение на диоде падает приблизительно на 2 мВ/град. При увеличении температуры обратный ток увеличивается в 2 раза у германиевых и 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 градусов. Пробивное напряжение при повышении температуры понижается.

Диоды подразделяются на выпрямительные – для схем выпрямления; высокочастотные – для использования в качестве ключевых элементов; стабилитроны – для стабилизации уровня напряжения; варикапы – диоды, электроемкость перехода которых можно изменять в широких пределах; транзисторы – переключающие диоды и т.д.

Полупроводниковые диоды во многих отношениях лучше ламповых: они прочны, имеют большой срок службы, значительно меньшие габариты и потребляют меньше энергии. Типичная зависимость тока через выпрямитель от приложенного напряжения изображена на рис. 32.14.

Направление тока, соответствующее малому сопротивлению, называется прямым или пропускным. Противоположное направление тока, соответствующее большему сопротивлению, называется обратным или запорным. В зависимости от направления тока напряжения и сопротивления называются прямыми или обратными.

Кривая на рис. 32.14 отражает нелинейность зависимости тока от величины напряжения, как в прямом, так и в обратном направлениях, а также несимметричность характеристики относительно направления тока или напряжения. Нелинейность

344

вольт-амперной характеристики обусловлена зависимостью сопротивления полупроводника от приложенного напряжения. Зависимость сопротивления выпрямителя от напряжения изображена на рис. 32.16.

Свойства выпрямителя часто характеризуются коэффициентом выпрямления α – отношения прямого тока Iпр к обратному Iобр, которые измерены при одинаковых по величине прямом и обратном напряжениях:

α = Iпр .

Iобр

Полупроводниковые триоды. р-п-переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов. Первый транзистор создан в 1949 году американскими физиками Д. Бардином, У. БраттейномиУ. Шокли(Нобелевскаяпремия1956 г.).

Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50–80 °С). Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-п-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.

345

Для примера рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-п-р, т.е. триода на основе n-полупроводника (рис. 32.17). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов – металлических проводников. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором – постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивление Rвх, а усиленное снимается с выходного сопротивления Rвых.

Рис. 32.17

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их «впрыскиванием» – инжекцией в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), и из-

меняют ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

346

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении – переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств р-n-переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Бк. Обычно Rвых >> Rвх , поэтому Uвых

значительно превышает входное напряжение Uвх (усиление может достигать 10 000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в Rвых, может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзистор дает и усиление мощности. Эта усиленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.

Из вышесказанного следует, что транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения, и мощности. Если в лампе анодный ток управляется напряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодному току лампы, управляется напряжением на базе.

Принцип работы транзистора п-р-п-типа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существуют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благодаря своим преимуществам перед электронными лампами: малые габаритные размеры, высокие КПД и срок службы, отсутствие накаливаемого катода, отсутствие необходимости в вакууме, и т.д. – транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ.

Вопросы для самоконтроля

1.В чем суть приведения многоэлектронной задачи к одноэлектронной?

2.Чем отличаются энергетические состояния электронов

визолированном атоме и кристалле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?

347

3. Чем различаются по зонной теории полупроводники

идиэлектрики? металлы и диэлектрики?

4.Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?

5.Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?

6.Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?

7.Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?

8.Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобладает собственная проводимость?

9.Как объяснить одностороннюю проводимость р-п-пере-

хода?

10.Какова вольт-амперная характеристика p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.

11.Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?

12.Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запирающем напряжении?

Проверочные тесты

Вариант 1

1. Носителями электрического заряда, создающими ток

вгазах и полупроводниках, являются:

1)в газах – электроны и ионы, в полупроводниках – электроны и дырки;

2)в газах – электроны и дырки, в полупроводниках – только электроны;

3)в газах – электроны и дырки, в полупроводниках – отрицательные и положительные ионы;

4)в газах – отрицательные и положительные ионы, в полупроводниках – электроны и положительные ионы.

348

2. В полупроводниках с собственной проводимостью:

1)число электронов в зоне проводимости (ЗП) равно числу дырок в валентной зоне (ВЗ);

2)число электронов в зоне проводимости превышает число дырок в валентной зоне;

3)число дырок в валентной зоне превышает число электронов в зоне проводимости;

4)число электронов в валентной зоне равно числу дырок

взоне проводимости.

3. На рисунке приведены энергетические зоны в твердых телах. Какая схема соответствует полупроводнику с собственной проводимостью? (ЗЗ – запрещенная зона.)

2) ЗП

Акцепторные уровни Еf ЗЗ

ВЗ

4. В 4-валентный кремний добавили в первом опыте 3-ва- лентный химический элемент, во втором опыте – 5-валентный. Проводимость полупроводника:

1)в первом случае – дырочная, во втором случае – электронная;

2)в первом случае – электронная, во втором – дырочная;

3)в обоих случаях – электронная;

4)в обоих случаях – дырочная.

349

5. Характерная особенность p-n-перехода:

1)пропускание тока практически в одном направлении от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа;

2)пропускание тока практически в одном направлении от полупроводника n-типа к полупроводнику p-типа;

3)не пропускает ток ни в каком направлении.

Вариант 2

1. Носителями электрического заряда, создающими ток

вметаллах и полупроводниках, являются:

1)в металлах – положительные и отрицательные ионы,

вполупроводниках – электроны и положительные ионы;

2)в металлах – электроны, в полупроводниках – электроны

идырки;

3)в металлах – электроны и дырки, в полупроводниках – положительные и отрицательные ионы;

4)в металлах – электроны, в полупроводниках – положительные и отрицательные ионы.

2.Собственная проводимость полупроводника обусловлена движением электронов:

1)в валентной зоне (ВЗ);

2)в зоне проводимости (ЗП);

3)в запрещенной зоне (ЗЗ).

а в 4-валентный германий – 5-валентную сурьму. Примеси называются:

350