Landsberg-1985-T2

В металлах концентрация свободных электронов очень

велика. так что большая часть атомов оказывается иони­

зованной; практически вся проводимость металлов объяс­

няется поведением «свободных электронов». как об этом говорилось в гл. VII. В полупроводниках же. где кон­ центрация свободных электронов значительно меньше.

нужно учитывать, наряду с движением в электрическом

поле этих свободных электронов. и другой процесс. ко­

торый может играть не меньшую роль в ИХ проводимости.

Сравнительно немногочисленные электроны. сделавшиеся

свободными. оторвались от некоторых атомов полупро­

водника. которые. таким образом. превратились в ионы.

Каждый из таких ионов окружен большим числом нейт­

ральных атомов. Нейтральные атомы. находящиеся в не­ посредственной близости к иону. могут легко отдавать

ему свой электрон. делая ион нейтральным, но сами пре-.

вращаясь в ионы. Таким образом. этот обмен электронами

приводит к тому. что место положительного иона в полу­

проводнике меняется. т. е. дело обстоит так. как будто

переместился положительный заряд. Итак. наряду с пере.­ мещением свободных электронов. в полупроводнике может

происходить процесс, имеющий характер перемещения

положительных зарядов.

Пока в полупроводнике не действует внешнее элект­ рическое поле. оба эти прощiсса имеют хаотический ха­

рактер. так что в среднем каждому электрону. смещенному

водном направлении, соответствует перемещение элект­

рона в противоположном направлении; то же происходит

и с перемещением положительно заряженных мест. Но при наложении поля оба процесса получают преимущест­ венное 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 себ.е 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. QT атома 4 к иону 3 и т. д.• а результатом будет перемещение поло­ жительного зарнженного места в обратном направлении.

Таким образом, в полупроводнике имеет место и дви­

жение свободных электронов nротив поля и перенос их от

244

нейтральных атомов к ионам, равносиЛЫ-lЫЙ движению

положительного заряда по направлению поля.

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

Е ...

Рис. 184. Грубая МОДЫIЬ «ды­ 1~66661 РОЧНОЙ» проводимости В ПО.'1у­

j666+Dc51

говорят, что ток в проводнике осуществляется частично

движением свободных электронов против поля и частично движением дырок по полю. Нужно только ПОl\ШИТЬ при

этом, что фактически всегда имеет место только движение

электронов, но движение связанных электронов от атомов

к ионам приводитк такому результату, как будто движутся

положительно заряжеНН~Iе дырки. Встречаясь с дыркой,

свободный электрон может воссоединиться с положитель­

ным ионом. При этом свободный электрон и дырка исче­ зают. Этот процесс называют рекомбинацией.

В идеально чистом полупроводнике без всяких чуже­

родных примесей каждому освобожденному тепловым дви­

жением или светом электрону соответствовало бы образо­

вание одной дырки, т. е. число учаСТВУЮЩIIХ в создании

тока электронов и дырок было бы одинаково.

Однако такие идеально чистые полупроводники в при­

роде не встречаются, а изготовить их искусственно не­

обычайно трудно. Малейшие следы примесей коренным

образом меняют свойства полупроводников. В одних

случаях влияние примесей проявляется в том, что «дыроч­ ный» механизм проводимости становится практически не­

возможным, и ТОК в полупроводнике осуществляется

только движением свободных электронов. Такие полу-

245

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 мышья­

ка (точка Ь на рис. 185). У мышьяка имеется пять валентных электронов, обеспечивающих его связи с другими атомами. Когда атом мышьяка за­

мещает 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 обра­ зом, почти каждый введенный в германий атом мышьяка создает один лишний свободный электрон. Число же дырок при этом не увеличива­

ется, потому что оставшиiiся ион мышьяка прочно связан с четырьмя сво­

ими соседями двойными связями и переход электронов от соседних ней­ тральных 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 дополнитеЛЬНl.JХ электронов, т. е. примерно в 1000 раз боль­ ше, чем их имелось в чистом германии, но не увеличит числа дырок. В та­

JШМ полупроводнике свободные электроны являются основными, т. е.

представленными в большинстве носителями заряда, а дырки - неоснов­ ными, т. е. представленными в меньшинстве. Иными словами, германий

с примесью (даже очень малой) мышьяка становится электронным про­

ВОДНИКОМ (n-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 будtт

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 заПОЛНИТh 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 сосед­

него атома ыожет оторваться и заполнить недостающую связь у иона,

а сам этот атом превратится в положительный ион и т. д. Таким обраЗОll,

место, где находится положительный заряд, будет перемещаться по кри­

сталлу. В поле это перемещение дырок носит направленный характер,

происходит преимущественно по направлению поля, т. е. создает элек­

трический ток. Мы видим, что введение в германий примеси индия уве­

личивает число дырок, не увеличивая числа свободных электронов. Та­ кой полупроводник является дырочным полупроводником (р-типа), т. е.

в нем дырки являются основными носителями заряда, а электроны - не­

основными.

Разобранный нами пример германия с примеСЯМII мышьяка и ИН­ дИЯ является относительно простым. На практике приходится встре­ чаться и с более сложными случаями влияния примесей на электриче­ ские свойства полупроводников. Но во всяком случае этот пример пока­ зывает, каким образом даже. ничтожные следы примесей могут корен­ ным образом изменять электрические свойства полупроводников и ме­ ханизм прохождения· через них тока. Это создает много трудностей в работе с полупроводниками, но это же обеспечивает и возможность по­

лучения полупроводников. с разнообразными свойствами, дающими воз­ можность применять их для решения очень важных и разнообразных

технических задач.

Различие между электр.онноЙ и дырочной проводимостью полупро­

водников позволило объяснить ряд фактов, которые раньше !{азались

загадочными. В § 84, например, говоря о полупроводниковых терм0-

241

элементах, мы указали, что в ОДНИХ С.'Jучаях ток в горячем спае течет

от металла к полупроводнику, а Dдругих С.'Jучаях - от полупроводника

к металлу. Теперь мы можем понять, D чем здесь дело. В электронном

полупроводнике скорость Э.1еКТРОНОII в горячем конце больше, чем в

ХО.l0ДНОМ. ПОЭТО~JУ э.lектроны просачиваются или, как говорят, диффун­

дируют от горячего конца к холодному до тех пор, пока создающееся

вследствие такого перераспределения зарядов э.lектрическое ПО.1е не

остаJiOВИТ этот поток диффУНДИРУЮЩИХ электронов. Когда такое рав­

новесие установится, то горячий конец, потерявший электроны, окажется заряжеlJНЫМ ПО.l0жительно, а холодный конец, по.1УЧИВШИЙ избыток

Э.1СКТРОНОВ, зарядится отрицате.1ЬНО. Иными сЛОВЮlll, ~!ежду горячю!

иХО.l0ДIJЬ!'.! КОlJцами возникает некоторая положите.1ьная разность

потенциалов.

В дырочном полупроводнике, наоборот, диффундируют от горячего конца к ХОЛОДНОМУ дырки. Горячий конец заряжается отрицательно, а холодный - JlO.l0жителыю. Знак разности потенциалов между горячим

и ХОЛОДНЫМ концами обратный.

§ 110. Полупроводниковые выпрямители. В местах контак­

та ш~жду двумя полупроводниками с разным механизмом

ПРОВОДПi\lОСТJf - дырочным И электронным - наблюдается

РЯ}1, замсчательных явлений. Оказывается, что место KOII- такта TaKllx полупроводников обладает весьма различной проводимостью в зависимости от того, будет ли электри­

ческое поле наflравлено от р-полупроводника к п-полу­

проводнику ИЛII наоборот. Если, например, привести в

соприкосновение закись меди (Си2О), имеющую дырочную

ПРОВО.1,IIl\!ОСТЬ, и двуокись титана (Ti0 2 ), имеющую элект­

ронную проводимость, то при одном и том же напряже­

нии ток в направлении от закиси меди к двуокиси титана

будет в 10000 раз сильнее, чем в обратном направлении. Чтобы понять причину этих явлений, нужно разо­

браться в процессах, происходящих на так называемых

р - п-переходах, т. е. на границе соприкосновения ды­

рочных И электронных полупроводников. В электронном

проводнике ОСНОВНЫМИ носителями тока ЯЫIЯЮТСЯ свобод­

ные Эо1ектроны, число которых гораздо больше, чем число дырок. В дырочном проводнике, наоборот, число дырок

гораздо больше, Че:\! число свободных Э"Iектронов. Когда

1\!Ы пршюдим эти два вещества в соприкосновение, то

электроны начинают диффундировать из п-полупровод­

ника, 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 СОIJрикосновение. Точно так же

и по тем же пр"чинам дырки будут диффундировать из

дырочного полупроводника в электронный. В результате

этого пограни'lНЫЙ слой обоих полупроводников обедня-

248

ется основными носителями, т. е. на границе создается

так называемый запирающий слой, сопротивление кото­ рого значительно больше, чем сопротивление всей толщи

обоих полупроводников. Фактически именно сопротивле­

нием этого запирающего слоя и определяется сопротив­

ление всего тела.

Естественно возникает вопрос: до каких пор будет

происходить уход дырок из р-полупроводника в n-полу­

проводник и уход электронов в обратном направлении? Ответить на этот вопрос нетрудно. Так как из дырочного

полупроводника уходят положительные заряды, а прите­

кают в него электроны, то вблизи границы этот полупро­

водник заряжается отрицательно. Точно так же пограничный

слой электронного полупроводника заряжается поло­

жительно, так как сюда притекают дырки, а отсюда ухо­

дят электроны. Таким образом, вблизи грающы возникает двойной электрический слой, в котором поле направлено

от электронного полупроводника к дырочному, т. е. про­

тиводействует диффузии электронов и дырок (поле Е на

Рис. 186. Возникновение запирающего слоя на границе n-по.~упровод­ ника и р,полупроводника: Е - поле, llрепятствующее диффузии

электронов и дырок

рис. 186). Когда это поле достигнет такой напряженно­

сти, 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 пла­ стинку 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 элект­

ронному. Дырки и электроны будут двигаться к границе,

навстречу друг другу; встречаясь, они могут рекомби­ нировать, а на то место будут приходить из электродов

новые свободные электроны и дырки и Т. д. Сопротивле-

249

ние слоя будет сравнительно невелико и ток в этом про­

пускном направлении будет большим. Если же мы при­ соединим плюс батареи к электронному проводнику, а минус кдырочному, то внешнее поле будет двигать электро­ ны и дырки от границы в противоположные стороны (рис.

187,6), запирающий слой будет расширяться, и сопротивле­

ние тела резко возрастет.

И дырок (кружки со 3Halco~1 «+») при прохождении тока через р - n-

переход: а) ПРОПУСКllое включение; б) запирающее включение

в настоящее время выяснилось, что именно этим меха­

низмом обусловлено сильное выпрямляющее действие так

называемых ыедно-закисных (купроксных) и селеновых

выпрямителей, разработанных чисто эмпирическим путем,

без ясного понимания происходящих в них физических процессов. Медно-закисный выпрямитель представляет со­

бой l\1едную пластинку, на которой при температуре свыше

1000 ос наращивается слой закиси меди (Си2О); затем при температуре около 600 ос 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 ВЮllO­ чить в цепь батареи (ри{;. 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 ты­

сячи 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. При­

чина явления заключается в том, что на основном медном

электроде имеется слой закиси меди, содержащий примеСlI

меди и других металлов; этот слой является электронным

полупроводником. Но внешний слой ЗaJШСИ, обогащенный

~50

КI!СЛОродом, является ДЫРОЧНЫМ полупроводником. Таким

образом, в толще закиси меди имеется р - n-переход,

т. е. существует граница между полупроводниками р­

и n-типа. Здесь и ВОЗникает запирающий слой, обусловли­

вающий одностороннюю проводимость.

Такими же свойствами обладает селеновый 'выпрями­

тель. Он представляет собой нанесенный на никелирован­

ную железную пластинку слой селена, поверх которого

наносится второй электрод из сплава кадмия, олова и

1

I ---- i: f- - -1 +

U)

Рис. 188. Через медно·закисныИ выпрямитель проходит сильный ток

при включении по схеме а) и очень слабый при включении по схеме 6):

1 - закись меди. обогащенная кислородом, 2 - напылеиная 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 (дыроч­ ным полупроводником) И селенистым кадмием, который

возникает в процессе обработки пластин и имеет элек­ тронный механизм ПРОВQДИМОСТИ.

В настоящее врем-я широкое распространение в технике, особенно

врадиотехнике, получили полупроводниковые выпрямители из герма­

НИЯ, кремния и других полупроводников. мы видели в предыдущем пара­

трафе, что характер проводимосiи германия 'Можно изменять, вводя в не­

го небольшое число примесных атомов того или другого рода. Если, на­ пример, на одной из поверхностей германия с электронной проводи­

мостыо расплавить небольшой кусок индия, то "Тонкий поверхностныli слои, в который проникнут на некоторую глубину атомы индия, станет

дырочным полупроводником и В толще германия создастся р - n-пере­

ход, который будет иметь выпрямляющее свойство (ОДНОC'l'ороннюю про­ водимость). На рис. 189 показано устройство ОДНОГО из типов таких

германиевых выпрямителей, а на рис. 190 - его вольтаыперная харак­

теристика, т. е. кривая, изображающая зависимость силы тока череэ

выпрямитель от приложенного к нему напряжения, Мы видим изэтой

2S1

Рис. 189. Германиевый выпрями­

тель: а) общий вид; б) сечение, 1-

герма ниева я пласти нка, 2 - вольф­ рамовая пружинка с острием, 3 -

керамический цилиндр, 4 - ла­

тунные держатели; в) условное

изображение

IJ)

l,А

'f,D

0,75

~50

0,20

.. МО -000 -2QO -'/00

1,0

l,MA

Рис. 190. ВОJlьтамперная характеристика германиевого выпрямителя

кривой, что в пропускном направленин ток равен 1 А уже при напря­

жении 0,75 В, т. е. сопротивление германия очень ма.10. В запираю­

щем же направ.1енни ток очень мал (около 0,05 мА) и практически не

зависит от напряжения вплоть до напряжения около 400 В, когда на­ ступает пробой *).

Из германия, кремния и других полупроводников с р-n-перехо­

дами в настоящее время изготовляют также и полупроводниковые уев-

"') На положительном и отрицательном участках коордииатных

осей масштабы различны. (Примеч. ред.)

252

лители (транзисторы), которые заменяют трехэлектродную усилитель­ ную 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 пита·

ния, чем электронные лампы.

§ 111. Полупроводниковые фотоэлементы. Если в каком-ни­

будь полупроводниковом выпрямителе, например медно­

закисном, селеновом или кремниевом, сделать внешний элек­

трод настолько тонким, чтобы он был прозрачен для света,

то при освещении полупроводника в цепи, в которую он

включен, возникает электрический ток (рис. 191). Таким

~.,,)<t"

71'\

(1)о)

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 ге­

нератор электрического тока, в котором световая энергия nреобразуется в электрическую.

При сильном освещении полупроводниковые фотоэле­ менты 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 бата­

реями, так как их можно использовать для прямого пре­

образования энергии излучения Солнца в электрическую.

Кремниевые солнечные батареи используются, в частнос­ ти, для обеспечения энергией искусственных спутников

Земли и космических кораблей. Полупроводниковые фото­

элементы широко применяются также для измерения интен­

сивности света и для целей автоматики, сигнализации и

телеуправления.