3. Контакт электронного и дырочного полупроводников. P-n переход.

Границу соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой - дырочную проводимость, называют электронно- дырочным переходом или p-n- переходом.

Практически p-n- переход осуществляется не механическим контактом двух разных полупроводников, а внесением донорных или акцепторных примесей в разные части химически чистого полупроводника.

Пусть два полупроводника с различным типом электропроводимости (p и n) соприкасаются друг с другом. При этом начнется переход (диффузия ) электронов из n - области, где их много, в p - область, где их мало, и перемещение дырок в обратном направлении. Так как дырки и электроны являются заряженными частицами, то, вследствие их диффузии, появится контактная разность потенциалов между p- и n- областями (рис 7а). Электроны и дырки на границе раздела двух полупроводников создают запирающий слой, поле которого препятствуют дальнейшему диффузионному переносу носителей заряда. Толщина запирающего слоя p-n - перехода в полупроводниках составляет примерно 10^-6- 10^-7 м, а контактная разность потенциалов - десятые доли вольта. При обычной температуре контактный слой является запирающим. Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля.

Приложим внешнее электрическое поле к системе двух полупроводников (рис 7,б). В этом случае напряженность внешнего поля совпадает по направлению с напряженностью поля запирающего слоя. При этом запирающий слой расширяется и ширина его зависит от приложенной разности потенциалов. В запирающем слое концентрация свободных электронов и дырок мала и он ведет себя как диэлектрик. Очевидно, что в этом случае электрический ток через p-n-переход не проходит. Направление напряженности внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называют запирающим (обратным).

При изменении направления напряженности внешнего электрического поля (рис.7в.) изменяется направление движения электронов и дырок на противоположное. В области p-n-перехода они рекомбинируют. При этом ширина запирающего слоя и его сопротивление уменьшается. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозьp-n-переход от p- полупроводника к n- полупроводнику. Такое направление тока называют прямым.

Рис.7а. Рис.7б. Рис.7в.

Таким образом, p-n- переход обладает односторонней проводимостью.

4.Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы).

Свойство односторонней проводимости используется в полупроводниковых диодах, которые применяются для выпрямления токов и для детектирования в радиоприемниках. Вольтамперная характеристика p-n-перехода показана на рис.8, там же условно изображен полупроводниковый диод. Прямому напряжению (положительное напряжение на графике) соответствует прямое направление тока. Чем больше напряжение, тем запирающий слой тоньше и сопротивление меньше, ток - возрастает. При обратном напряжении запирающий слой резко возрастает, растет сопротивление иp-n- переход пропускает слабый ток. Лишь при большом обратном напряжении сила тока резко возрастает, что обусловлено электрическим пробоем перехода и выходом из строя диода.

На рис.9 показан график тока, текущего через переход, в том случае, если приложенное напряжение меняется по гармоническому закону_. В этом случае ширина запирающего слоя и сопротивление перехода пульсируют, изменяясь в такт с изменениями напряжения.

Для создания полупроводникового триода (транзистора) необходимо иметь три составные части полупроводникового материала: две n- и одну p- типа или наоборот.

На рис. 10 представлена одна из возможных схем включения транзистора в цепь. При этом используют два источника постоянного напряжения. Один источник включается плюсом к р-части триода, называемой эмиттером (Э), а минусом к средней части, называемой базой (Б). Вторую батарею подключают плюсом к базе, а минусом ко второй р-части, называемой коллектором (К) Т.к. входное и выходное напряжение имеют на базе общую точку, то эту схему называют схему с общей базой (ОБ).

Рис.8 Рис.9

Работа транзистора основана на том, что напряжение и, следовательно, ток эмиттерного перехода влияют на ток в цепи коллектора. Если создать и увеличивать напряжение между эмиттером и базой, то будет возрастать и сила тока в цепи эмиттера. Дырки (основные носители в цепи эмиттера), попадая (инжектируя) в базу, в значительном количестве продиффуидируют через нее и окажутся в коллекторе. Прохождение дырок через p-n- переход способствует контактная разность потенциалов между базой и коллектором. Толщину базы делают достаточно малой, порядка десятков микрометров, чтобы не было рекомбинации.

Рис. 10а. Рис.10б

Рис. 11

На рис.11 показано, что контактная разность потенциалов уменьшается при переходе эмиттер - база и увеличивается при переходе база - коллектор. Такое включение транзистора дает усиление по напряжению. Коэффициент усилия по напряжению

; так как I_б очень мал, то практически I_эI_к. Следовательно, ток не увеличивается при включении транзистора с общей базой.

На рис.12 показано включение транзистора с общим эмиттером (ОЭ). В этой схеме эмиттер является общей точкой для входа и выхода. Физические основы работы транзистора сохраняются и в этой схеме: ток эмиттера влияет на сопротивление коллекторного перехода.

Рис 12

Рис 13

На рис.13 показано изменение запирающего слоя при таком включении.

Усилительные свойства самого транзистора в такой схеме характеризуются коэффициентом передачи тока базы. Он равен отношению приращения тока коллектора I_кк вызвавшему его приращению тока базыI_б при неизменном напряжении коллектор-эмиттер:

при U_кэ =const.

Различают входные характеристики - зависимости входного тока от входного напряжения и выходные - зависимости выходного тока от выходного напряжения.

Входными статическими характеристиками являются зависимости тока I_ббазы от напряженияU_бэбаза - эмиттер:I_б=f(U_бэ) приU_кэ= const. Эти характеристики приведены на рис 14. Выходные характеристики, изображенные на рис.15, представляют собой зависимость токаI_кколлектора от напряженияU_кэ, т.е.I_к=f(U_кэ) при постоянном токе базы (I_б= const).