Как называется контакт полупроводников разного типа

Контакт электронного и дырочного полупроводников

(р-п-переход)

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом(или р-п-переходом). Эти переходы имеют большое практическое применение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. р—п-переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл германия п-типа накладывается индиевая «таблетка» (рис. 27, а). Эта система нагревается примерно при 500 °С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия п-типа образуется р-п-переход (рис. 27, б).

Рассмотрим физические процессы, происходящие в р—п-переходе (рис.28). Пусть донорный полупроводник (работа выхода — А_п,уровень Ферми — )приводится в контакт (рис. 28, б) с акцепторным полупроводником (работа выхода — А_р, уровень Ферми – ). Электроны из п-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении — в направлении р → п.

В п-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается некомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 28, а). Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от п-области к р-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении п→ р и дырок в направлении р → п. Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках п— и р-типа одинаковы, то толщины слоев d₁, и d₂ (рис. 28, в), в которых локализуются неподвижные заряды, равны (d₁ = d₂).

При определенной толщине p—n-перехода наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис.28, в). В области р—п-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера еφ определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полупроводниках. Рис. 28 Все энергетические уровни акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного полупроводника на высоту, равную еφ,причем подъем происходит на толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя р—п-перехода в полупроводниках составляет примерно 10 –6 – 10 –7 м, а контактная разность потенциалов – десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т е при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к р—п-переходу внешнее электрическое поле направлено от п-полупроводника к р-полупроводнику (рис, 29, а), т.е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в п-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике от границы р—п-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 в запирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р-полупроводнике и дырок в п-полупроводнике).

Если приложенное к р—п-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 29, б), то оно вызывает движение электронов в п-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе р—п-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 п-полупроводнику; оно называется пропускным (прямым).

Таким образом, р—п-переход (подобно контакту металла с полупроводником) обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

На рис. 30 представлена вольт-амперная характеристика р—п-перехода. Как уже указывалось при пропускном (прямом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к границе р—п-перехода (см. рис. 29, 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. 30). Это направление тока называется прямым.

При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе р—п-перехода (см. рис. 29, а) и 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. Поэтому в данном случае через р—п-переход протекает только небольшой ток (он называется обратным),полностью обусловленный неосновными носителями тока (левая ветвь рис. 30). Быстрое возрастание – этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь переменного тока р—п-переходы действуют как выпрямители.

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы – диода (см. § 105). Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один р—п-переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом.Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные.

Источник

Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости. Дрейфовый и диффузный токи в p-n переходе.

Электронно-дырочным (p-n) называют такой переход, который образован двумя областями полупроводника с разными типами проводимости: электронной и дырочной. Элек­тронно-дырочный переход нельзя создать простым соприкоснове­нием полупроводниковых пластин n- и p-типа, так как в месте соединения невозможно обеспечить общую кристаллическую ре­шетку без дефектов. На практике широко используется метод получения p-n перехода путем введения в примесный полупроводник примеси с противоположным типом проводимости, например с помощью диффузии, или эпитаксии.

На рис. 1.5, б показано распределение концентраций дырок p(x) и электронов n(x) в полупроводнике. В граничном слое образуется электрическое поле, направленное от n-области к p-области, как показано на рис. 1.5, а.

Это поле является тормозящим для основных носителей заряда. Теперь любой электрон, проходящий из n-области в p-область, попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить его обратно в электронную область. Аналогично любая дырка, проходящая из p-области в n-область, также попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить ее обратно в Рисунок 1.5 дырочную область.

Внутреннее поле является ускоряющим для неосновных носите­лей. Если электроны p-области вследствие, например, хаотического теплового движения попадут в зону p-n перехода, то внутреннее поле обеспечит их быстрый переход через приграничную область. Аналогично будут преодолевать p-n переход дырки n-области. Для них внутреннее поле также является ускоряющим.

Таким образом, внутреннее электрическое поле p-n перехода создает дрейфовый ток неосновных носителей заряда. Этот ток направлен встречно диффузионному току основных носителей заряда.

Если к полупроводнику не прикладывается внешнее напряже­ние, то результирующий ток через p-nпереход отсутствует:

В общем случае справедливо соотношение

Контактная разность потенциалов и толщина р-n-перехода зависят от концентрации доноров и акцепторов:

; (1.7)

Очевидно, что увеличение концентрации доноров и акцепторов приводит к увеличению контактной разности потенциалов и уменьшению толщины p-n перехода.

Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 933 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках.

23 Май 2013г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Общие понятия.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

Источник

Контакт полупроводников с разным типом проводимости

1. Получение p-n перехода. Во второй половине ХХ века интенсивно развивалась твердотельная электроника. Громоздкие электровакуумные лампы заменились малогабаритными полупроводниковыми устройствами. Основным элементом полупроводниковых приборов является p-n – переход, обладающий уникальными свойствами. Он представляет собой тонкий слой на границе между двумя примесными полупроводниками.

Получить p—n – переход прямым соприкосновением двух полупроводников практически невозможно. Как бы тщательно ни были очищены их поверхности, они всегда содержат много примесей и загрязнений, ухудшающих свойства полупроводников. Поэтому задача решается путем введения в один и тот же кристалл с определенным типом проводимости противоположной примеси.

Например в монокристалл четырехвалентного германия с донорной примесью, создающей в кристалле германия Ge проводимость n – типа, в вакууме при температуре около 1000°С вплавляют кусочек трехвалентного индия In. Атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области кристалла, куда проникают атомы индия, проводимость становится дырочной (p – типа). На границе этой области возникает p—n – переход. По мере перемещения вглубь кристалла концентрация индия постепенно уменьшается. Тот слой, где концентрация акцепторной примеси индия сравняется с концентрацией донорной примеси в монокристалле, и есть собственно p—n – переход. Такие переходы называют плавными. Резкие p-n – переходы получают путем осаждения на кристалл полупроводника, допустим n – типа, полупроводника p – типа из газовой фазы. Для этого над кристаллом пропускают при температуре 1200 о С такую газовую смесь, чтобы на кристалл осаждался полупроводник с нужным типом проводимости.

2. Равновесные состояния p-n – перехода. Предположим мысленно, что сразу же после образования p- и n- областей мы их разделили, не допустив перетекания зарядов из одной области в другую. Возникает ситуация, показанная на рис.117. Обе области электрически нейтральны, их нулевые уровни совпадают. Уровень Ферми в p–области выше примесных уровней, а в n–области – ниже. В общем случае уровни Ферми не совпадают, в n–области уровень Ферми выше.

Однако в реальности после образования p—n – слоя начинается диффузия основных носителей из одной области в другую. Для n–области основными носителями являются электроны, для p–области – дырки. Основные носители возникают почти целиком вследствие ионизации донорных и акцепторных примесей. При температурах Т ³ 250 К эти примеси ионизированы практически полностью. Поэтому концентрация электронов в n–области равна концентрации донорных атомов, а концентрация дырок в p–области – концентрации акцепторных атомов.

Концентрация неосновных носителей примерно в 10 6 раз меньше концентрации основных в обеих областях (). В результате в контактирующих областях полупроводника возникают диффузионные потоки электронов проводимости из п-области в р-область и дырок из p–области в n–область. Электроны перемещающиеся в p–область, рекомбинируют вблизи границы раздела с дырками, а дырки в n–области рекомбинируют с электронами проводимости. Поэтому в приконтактном слое n–области практически не остается свободных электронов и в нем формируется неподвижный положительный заряд ионизированных доноров.

В приконтактном слое p–области практически не остается дырок, и в нем формируется отрицательный заряд ионизированных акцепторов. Эти неподвижные электрические заряды создают в p-n – переходе контактное электрическое поле с разностью потенциалов j_к и практически не выходящее за его пределы.

Если в слой объемных зарядов влетает неосновной носитель (электрон из p–области или дырка из n–области), то контактное поле подхватывает его и перебрасывает через этот слой. В результате каждый неосновной носитель, налетающий на p-n – переход, проходит через него.

Наоборот, основные носители тока (электрон из n–области или дырка из p–области) могут перелетать через слой объемных зарядов лишь в том случае, если кинетическая энергия их движения вдоль оси Х достаточна для преодоления контактной разности потенциалов, то есть если она больше |ej_к|. Поэтому, как только образуются объемные заряды у границы областей, поток основных носителей, пересекающих эту границу, уменьшается. Когда поток основных носителей сравняется с потоком неосновных носителей, устанавливается динамическое равновесие.

3. Прямое включение p-n – перехода в электрическую цепь. Подключим к p-n – переходу источник тока, присоединив к p–области «плюс», а n–области – «минус» (рис.119 вверху). Полагаем, что источник тока способен создавать на омических шинах напряжение j ₀. Дополнительное электрическое поле, создаваемое источником тока, вызывает приток основных носителей в область объемного заряда p-n – перехода. В p–области в направлении от омической шины к p-n – переходу движутся дырки. Они рекомбинируют с электронами отрицательных ионов акцепторной примеси. В n–области в направлении к p-n – переходу движутся электроны проводимости, которые рекомбинируют с положительными ионами донорной примеси.

В результате объемный заряд на p-n – переходе уменьшается по сравнению с равновесным состоянием. Становится меньше и высота потенциального барьера. Этот процесс продолжается до тех пор, пока контактная разность потенциалов на p-n – переходе не уменьшится до значения j_к – j ₀.

На рис.119 внизу данная ситуация показана на энергетической зонной диаграмме. Штриховые линии соответствуют равновесному состоянию p-n – перехода.

Электроны в зоне проводимости полупроводника ведут себя как тяжелые предметы, скользящие по дну зоны проводимости. Уменьшение высоты потенциального барьера резко увеличивает долю тех электронов в n–области, кинетическая энергия которых в направлении движения к потенциальному барьеру достаточна для преодоления этого барьера.

Дырки в валентной зоне ведут себя как пузырьки воздуха подо льдом. Чем меньше высота барьера, тем большая доля дырок способна «поднырнуть» под него (на рис.119 внизу слева направо). В результате с уменьшением высоты потенциального барьера резко увеличивается диффузионный поток через p-n – переход электронов проводимости из n–области и дырок из p–области. Ток основных носителей i_осн подскакивает по сравнению с равновесным на несколько порядков.

4. Обратное включение p-n – перехода показано на рис.120 вверху. «Плюс» источника тока присоединяется к омической шине n–области, а «минус» присоединяется к омической шине p–области. Возникающий в электрическом поле источника тока дрейф основных носителей направлен от p-n – перехода к омическим шинам. При этом обнажаются новые слои ионизированных доноров и акцепторов, увеличивая тем самым область объемного связанного заряда.

Протекание электронов и дырок к омическим контактам происходит до тех пор, пока они практически полностью не скомпенсируют заряды, созданные внешним источником ЭДС. После этого все приложенное напряжение j ₀ падает на p-n – переходе, сопротивление которого на много порядков больше сопротивления p- и n-областей. Потенциальный барьер p-n – перехода возрастает практически до величины e(j_к + j ₀). Это резко снижает ток основных носителей i_осн, делая его меньше равновесного. Ток неосновных носителей i_неосн зависит лишь от их концентрации и потому меняется незначительно (рис.120 внизу).

Итак, p-n – переход можно рассматривать как нелинейный проводник, сопротивление которого зависит лишь от знака приложенного напряжения. Односторонняя проводимость p-n – перехода используется не только в полупроводниковых диодах. Свойства p-n – переходов оказались настолько плодотворными, что позволили создать на их основе серию электронных полупроводниковых приборов, в число которых помимо диодов входят транзисторы, тиристоры и др. Во второй половине XX века происходит быстрый переход от ламповой к твердотельной электронике.

5. Полупроводниковые диоды – нелинейные проводники. Их два электрода называют анод (+) и катод (—). Диоды имеют резко несимметричную вольтамперную характеристику (рис.121). Это позволяет использовать их для выпрямления переменных токов.

Если к первичной обмотке трансформатора приложено переменное синусоидальное напряжение, то во вторичной обмотке, замкнутой на омический резистор R, протекает синусоидальный переменный ток той же частоты, , где j ₀ – сдвиг по фазе (рис.122-а). Если в разрыв вторичной цепи включить полупроводниковый диод, то через резистор R в течение одной половины периода будет протекать пульсирующий однонаправленный ток. Получается схема однополупериодного выпрямителя (рис.122-б).

Для двухполупериодного выпрямления нужно как минимум два диода и вывод средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис.122-в). Соединив четыре диода по схеме выпрямительного моста, можно обойтись без средней точки (рис.122-г).

6. Транзисторы. С помощью p-n – переходов можно не только выпрямлять, но и усиливать электрические токи. Для этой цели служат транзисторы – полупроводниковые устройства, имеющие три электрода (эмиттер, коллектор, база). Рассмотрим принцип действия транзистора на примере его включения по схеме с общей базой (рис.123).

Левый на рисунке p-n – переход 1 работает в прямом направлении. Правый p-n – переход 2 работает в запорном направлении. Расстояние в транзисторе между переходами 1 и 2 (ширина базы) не превышает нескольких десятков мкм. Ток в цепи база-коллектор определяется неосновными носителями и сильно зависит от концентрации этих носителей. В n–области неосновными носителями являются дырки.

Если в цепи эмиттер-база идет ток, то дырки из p–области, где они являются основными носителями, в большом количестве движутся через переход 1 в область базы. В результате концентрация дырок в n–области базы резко возрастает. Говорят, происходит инжекция дырок. Т.к. ширина базы очень мала, то диффундирующие через переход 1 дырки в большом количестве доходят до перехода 2. Концентрация неосновных носителей в n–области возле перехода 2 существенно увеличивается, поэтому и увеличивается ток в цепи коллектора.

Напряжение U₂ в цепи коллектора много больше напряжения U₁ в цепи эмиттера U₂>>U₁. Поэтому выделяющаяся на сопротивлении R мощность оказывается больше мощности, расходуемой в цепи эмиттера. Усиление по мощности в современных транзисторах колеблется от нескольких десятков до десятков тысяч раз.

7. Термоэлектрические эффекты Зеебека и Пельтье выражены в полупроводниках много сильнее чем в металлах (см. §14). Особенно, если контакты образуют полупроводники с разным типом проводимости. Дифференциальная термо-ЭДС в полупроводниках примерно в 1000 раз больше, чем в металлах. Это позволяет создавать полупроводниковые термоэлектрические генераторы и холодильники.

Теорию термоэлектрогенераторов разработал в начале 40-х годов XX века Абрам Иоффе. Первые термогенераторы в СССР были построены в начале Великой Отечественной войны и использовались для питания радиостанций в партизанских отрядах. В середине 70-х годов появились термогенераторы мощностью 150–200 Вт для питания аппаратуры метеорологических станций и космических аппаратов. Источником энергии в них был радиоактивный изотоп церия 144 Се.

Максимальный КПД термоэлектрогенераторов, достигнутый к настоящему времени, составляет 15% и вряд ли превысит 20%. Полупроводниковые термоэлектрогенераторы дороги, поэтому промышленное получение на их основе электрической энергии в ближайшем будущем маловероятно, если не будут созданы дешёвые материалы, сочетающие высокую электропроводность с низкой теплопроводностью.

Полупроводниковые холодильники, построенные на основе эффекта Пельтье, используются чаще всего для охлаждения элементов радиоэлектронных цепей.

8. Фотогальванический эффект. При освещении p-n – перехода и прилегающих к нему областей светом, способным вызвать генерацию электронно-дырочных пар, через p-n – переход возникает ток зарядов, изменяющий его состояние по сравнению с равновесным.

Допустим, на p–область падает свет, как показано на рис.124 вверху. Чтобы фотоны поглощались вблизи p-n – перехода, толщина р–области должна быть малой и не превышать 1–2 мкм. Если энергия фотонов hn больше ширины запрещенной зоны, hn ³ E_g, то при поглощении фотона электроном в валентной зоне любой области электрон переходит в зону проводимости. (Полагаем, что акцепторные и донорные примесные уровни в p- и n-областях уже полностью ионизированы). Появляется пара носителей – электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне.

Увеличение числа основных носителей (дырки в p–области и электроны в n–области) по существу ничего не меняет, поскольку их относительный прирост мал. А увеличение числа неосновных носителей (дырки в n–областии электроны в p–области) очень существенно. Поскольку ток через p-n – переход неосновных носителей зависит лишь от их концентрации, то при освещении p-n – перехода светом возникает фотогальванический эффект – появление тока неосновных носителей, приблизительно пропорционального световому потоку Ф.

Неосновные носители захватываются контактным полем и уходят из p- и n-областей. Основные носители остаются. В результате по разные стороны p-n – перехода постепенно накапливаются заряды свободных носителей – дырок в p – области и электронов в n – области, p – область заряжается положительно, n – область – отрицательно.

Поле этих свободных зарядов противоположно контактному полю и ослабляет его. Связанный в области p-n – перехода заряд ионизированной примеси уменьшается, высота потенциального барьера становится меньше (рис.124 внизу). В результате диффузия основных носителей растет. Постепенно устанавливается такое динамическое равновесие, когда при данном световом потоке Ф пропорциональный ему ток неосновных носителей i_неосн станет равным противоположному току основных носителей, i_неосн = i_осн. Высота потенциального барьера принимает значение e(j_к + j_ф), где j_Ф – фото-ЭДС p-n – перехода.

Фотогальванический эффект может использоваться в режиме фотоэлемента или в режиме фотодиода.

а. Фотоэлемент. Для использования p-n – перехода в режиме фотоэлемента (в вентильном режиме) достаточно соединить p- и n–области омической перемычкой с нагрузочным сопротивлением R. При освещении фотоэлемента по сопротивлению R потечет фототок свободных электрических зарядов. Поэтому в режиме фотоэлемента p-n – переход позволяет напрямую превращать энергию света в электрическую. Схема устройства фотоэлемента показана на рис.125. На тонкую p–область (»1 мкм) напыляется еще более тонкий металлический слой из серебра или золота, играющий роль омической шины. Чтобы эта металлическая пленка достаточно хорошо пропускала свет, ее толщина должна быть много меньше длины волны света l. Обычно это несколько десятков атомных слоев.

Второй омической шиной является металлическая пластина, играющая одновременно роль механической несущей основы всей конструкции фотоэлемента. Из отдельных фотоэлементов собирают солнечные батареи, использующиеся для питания космической аппаратуры и в наземных энергетических установках.

В настоящее время солнечные батареи делают в основном из кремния Si и арсенида галлия GaAs. Достигнутый КПД h » 20% близок к теоретически возможному.

б. Фотодиод. Чтобы использовать p-n – переход в режиме фотодиода, на него подается напряжение j ₀ от источника тока в запорном направлении (рис.126 слева). Если фотодиод не освещен, то по нему протекает очень малый темновой ток неосновных носителей. Напряжение U на резисторе R практически равно нулю. Когда на фотодиод направляется световой поток Ф, концентрация неосновных носителей и их ток возрастает пропорционально потоку Ф. На резисторе R возникает напряжение U (рис.126 справа), которое можно использовать как сигнал в цепях связи или управления.

9. Светодиод. При пропускании прямого тока концентрация неосновных носителей в области p-n – перехода повышается. К инжектированным неосновным носителям подтягиваются основные носители. В результате в области p-n – перехода развивается процесс рекомбинации избыточных над равновесным состоянием носителей.

Если часть актов рекомбинации происходит с излучением света и если этот свет может выйти наружу, то получается светоизлучающий диод – светодиод.

Средняя мощность излучения светодиодов в непрерывном режиме составляет 3¸5 мВт. Увеличить ее за счет повышения прямого тока не удается из-за нагрева p-n – перехода, резко снижающего внутреннюю эффективность.

10. Полупроводниковые лазеры. Наиболее широко применяются сейчас полупроводниковые инжекторные лазеры на арсениде галлия GaAs. Инверсия населенности уровней в них достигается инжекцией основных носителей через p-n – переход.

На рис.127-а показан равновесный p-n – переход между двумя вырожденными областями полупроводника. Вырожденными называются области с совпадающими энергетическими уровнями. В результате одному значению энергии могут соответствовать два и более электронов. Уровень Ферми Е_Ф в p–области находится ниже потолка валентной зоны Е_в, а в n–области – выше дна зоны проводимости Е_п. В результате потолок валентной зоны до отказа заполнен дырками в p–области, а дно зоны проводимости в n–области – электронами (рис.127-в).

Если к такому p-n – переходу приложить прямое напряжение j (к p – области «плюс», к n – области «минус»), резко снижающее потенциальный барьер, то в нем появляется область А с инверсным заполнением зон (рис.127-б). Над насыщенным дырками потолком валентной зоны располагается до отказа заполненное электронами дно зоны проводимости. Спонтанная излучательная рекомбинация электронно-дырочных пар вызывает в этих условиях индуцированное излучение.

Схема устройства полупроводникового лазера показана на рис.128 слева. Монокристалл с p-n – переходом имеет форму пирамиды. Две противоположные ее грани делают строго параллельными друг другу и перпендикулярными плоскости p-n – перехода. Эти грани выполняют роль оптического резонатора, заставляющего стимулированное излучение, возникающее в плоскости p-n – перехода, проходить через него многократно. Две другие грани остаются грубо обработанными и непрозрачными для света.

Коэффициент отражения света от граней кристалла при n = 3,45 составляет от 30 до 35% при углах падения, близких к нормальному. Кроме того, световая волна, распространяясь вдоль p-n – перехода, поглощается пассивными областями диода. Поэтому для возникновения генерации надо создать такую инверсию заселенности зон, которая бы перекрывала все потери света.

Ток I_пор, при котором выполняется это условие и возникает генерация, называют пороговым. До порогового тока лазер работает как обычный светодиод. Он испускает спонтанное излучение с равномерной плотностью по всем направлениям. Поэтому из светодиода выходит около 2% света, возникающего в результате излучательной рекомбинации.

При переходе к режиму генерации почти все излучения концентрируются в плоскости p-n – перехода, распространяясь перпендикулярно оптическим окнам кристалла. Отношение вероятности излучательной рекомбинации к вероятности безизлучательной увеличивается. В результате при I > I_пор происходит резкий рост светового потока Ф (рис.128 справа).

Важным недостатком полупроводниковых лазеров является сильная зависимость их параметров от температуры. Из-за значительного прямого тока светодиод разогревается, ширина запрещенной зоны, как правило, уменьшается, поэтому максимум излучения смещается в сторону длинных волн. Это ухудшает условия оптического резонанса.

Более того, с ростом температуры быстро растет пороговый ток I_пор, так как при неизменном токе инжекции распределение носителей тока по энергиям с ростом температуры становится более размытым. Заполнение электронами и дырками энергетических состояний становится более рыхлыми. В результате мощность излучения с ростом температуры лазера падает. Поэтому проблема отвода тепла от p-n – перехода для полупроводниковых лазеров имеет первостепенное значение.

11. Микроэлектроника. Развитие технологии полупроводниковых приборов – диодов, транзисторов и др. – шло не только в направлении улучшения их функциональных характеристик, но и в направлении уменьшения их размеров. На одном кристалле удавалось разместить вначале десятки, а затем сотни и тысячи полупроводниковых устройств. Одновременно развивалась технология формирования в таких блоках и классических элементов – конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности. В результате в конце 60-х годов ХХ в. появляется микроэлектроника.

Разрабатывают и изготовляют интегральные схемы ЭВТ с помощью ЭВМ. В целом, технология производства современных интегральных схем достаточно сложная и дорогая, требующая высокой культуры производства. При изготовлении ИС используют 3 технологии. В полупроводниковой делают активные элементы (p-n-переходы) в объёме монокристалла. В плёночной делают пассивные элементы – резисторы, конденсаторы, напыляя на подложку в вакууме слои металла (Cr) и диэлектрика (SiO₂). В гибридной сочетаются полупроводниковая и пленочная технологии.

глава 3. Физика атомного ядра

Источник