Познакомимся кратко с применениями полупроводников. Сна­чала обсудим применения однородных полупроводников (термисто­ры, фотосопротивления), затем неоднородных (р—п-переходы, транзисторы).

Термисторы. Принцип их действия описан в школьном курсе физики. Для измерения температуры может быть использована как область собственной проводимости, так и область примесной при температурах ниже области примесного истощения.

Болометры. Это термисторы, используемые для измерения ин­тенсивности электромагнитного излучения. Поверхность полупро­водника, на которую падает излучение, покрывается специальным составом, одинаково хорошо поглощающим излучение в большом диапазоне частот. Этот слой нагревается и нагревает полупровод­ник. Основное достоинство болометров — весьма высокая чувстви­тельность, которая не зависит от частоты в очень широком диапазоне частот. Есть у них и существенный недостаток. Сопротивление бо­лометра меняется благодаря изменению температуры полупровод­ника. Нагревание (или охлаждение) — процесс довольно медлен­ный, или, как говорят, инерционный. Поэтому, если интенсивность излучения достаточно быстро меняется, то болометр не успевает реагировать на эти изменения и показывает некоторую среднюю интенсивность.

Фотосопротивления. Процесс генерации свободных носителей светом гораздо менее инерционный, чем нагревание или охлажде­ние. Поэтому фотосопротивления, действие которых основано на явлении фотопроводимости, способны регистрировать очень быстрые изменения интенсивности излучения. В этом их преимущество по сравнению с болометрами. Фотосопротивления широко применяют­ся, например, для регистрации инфракрасного излучения. Для этой цели используется собственная фотопроводимость химическо­го соединения (InSb) сурьмы (Sb) и индия (In), обладающего полу­проводниковыми свойствами, а также примесная фотопроводимость германия с примесью золота (при низких температурах).

р — «-Переход. Рассмотрим теперь свойства р— «-перехо­да несколько подробнее, чем это сделано в школьном курсе физики. Предположим, что два образца одного и того же по­лупроводника: один n-типа, дру­гой р-типа, приведены в сопри­косновение друг с другом.

 

Пусть температура такова, что в том и другом образцах при­меси полностью ионизованы. В каждой области много основных носителей (электронов в «-облас­ти и дырок в /7-области) и мало неосновных. Носители находят­ся в беспорядочном, хаотическом движении. В результате диффу­зии некоторое количество дырок попадет из р в «-область, а элект­ронов—из « в /7-область (рис. 5.8).

Диффузия основных носителей через переход создает электри­ческий ток /0С11, направленный из /7-области в «.

Электроны, попавшие в про­цессе диффузии в />-область, встре­чают большое количество ды­рок и рекомбинируют с ними.

В результате в /7-области кон­центрация дырок около перехо­да станет меньше, чем в толще.

Так как в толще количество отрицательно заряженных ак­цепторов равно количеству дырок, то вблизи перехода со стороны p-области появится избыток отрицательно заряженных акцепторов. Аналогично вблизи перехода со стороны «-области появится избыток положительно заряженных доноров. Сказанное иллюстрируется ри­сунком 5.9, где показано распределение концентраций доноров и акцепторов (а), основных носителей (б) и электрического за­ряда (в) вблизи перехода. Как видно из рисунка 5.9, б, в ок­рестности перехода концентрация основных носителей мала. Между областью, заряженной положительно, и областью, заря­женной отрицательно, возникает электрическое поле EL,направ­ленное из «-области в /7. Это поле препятствует диффузии и умень­шает основной ток /осн.

Вспомним теперь, что в полупроводнике непрерывно идут про­цессы рождения и рекомбинации пар. Интенсивность рождения за

висит только от температуры и одинакова во всем объеме полу­проводника. Поэтому в отличие от основных носителей, диффунди­рующих из области, где их мно­го, в область, где их мало, диф­фузия неосновных носителей не возникает. Предположим, что в /i-области возникла пара. Дыр­ка будет хаотически перемещать­ся' по /г-области до тех пор, по­ка не рекомбинирует с каким- либо электроном. Однако если пара возникла достаточно близ­ко к переходу, то прежде чем произойдет рекомбинация, дыр­ка может оказаться в области, где существует электрическое поле Et.Тогда под действи­ем поля Еь дырка пройдет через переход в /7-область. Некоторое количество дырок, блуждающих по я-области, все время попадает в область поля. Благодаря это­му постоянно существует поток дырок из /i-области в р. Точно так же возникает поток элект­ронов из /7-области в п. Это дви­жение неосновных носителей че­рез переход создает неосновной ток /цеосп» направленный проти­воположно /осн.

Таким образом, возникнове­ние электрического поля Е{ при­водит к появлению неосновного

ТОКа /не0сн*

Накопление зарядов около пе­рехода за счет диффузии и рост электрического поля Etбудут продолжаться до тех пор, пока ток не уравновесит

На рисунке 5.9, в токи /неосн и Л>сн показаны стрелками оди­наковой длины.

Если к р — я-переходу приложена разность потенциалов, то внешнее электрическое поле Ее складывается с полем Еь. Полное поле, существующее в области перехода, равно Е = Еь + Ее. Токи /неосн и /оси ведут себя совершенно различно по отношению к изменению поля в переходе. Неосновной ток /неосн определяет­ся главным образом количеством неосновных носителей, возникаю­щих в процессе термической генерации в непосредственной близо­сти р — я-перехода. Это количество носителей определяется тем­пературой и вообще не зависит от поля. Поэтому ток /неосн с полем меняется очень слабо, и без большой ошибки можно считать его постоянным. Ток /осн обусловлен диффузией основных носителей. Из очень большого числа основных носителей лишь малая доля самых быстрых преодолеет электрическое поле и продиффундирует через переход. Эта доля весьма чувствительна к полю Е: основной ток /осн резко возрастает с уменьшением поля и быстро падает при его увеличении.

Для того чтобы составить представление об электрическом поле, удобно изображать зависимость электростатического потенциала ср от координаты х. Известно что на малых отрезках Лх разность потенциалов Д<р на концах отрезка связана с полем соотношением

Е = —       .Отсюда  следует,  чтосрпадает   в направлении поля тем

круче, чем больше поле. На рисунке 5.10, а показана зависимость ср от х в переходе в отсутствие внешней разности потенциалов. Потен­циал резко падает от я-области к /?, что соответствует полю Ei9направленному слева направо. Токи /неос„ и /осн уравновешивают друг друга.

Пусть теперь переход подключен к источнику постоянного тока так, что клемма «плюс» источника соединена с p-областью, а «ми­нус» — с я-областью. Внешнее поле Ее направлено в сторону, противоположную полю Eiyпоэтому Е = Et+ Ее < Еь т. е. поле в переходе уменьшится. Поток основных носителей через переход резко увеличится, т. е. основной ток возрастет. Зависимость ср от х для этого случая изображена на рисунке 5.10, б.

Если изменить полярность включения перехода, то суммарное поле в переходе увеличится: Е = Et+ Ее > Е{9 и основной ток Iосн уменьшится. Если Е достаточно велико, то основной ток /осн становится малым по сравнению с неосновным током /пеосн« Тогда

ток через переход, включенный в «обратном» направлении, опреде­ляется неосновным током, который не зависит от поля. Рисунок 5.10, в соответствует переходу, включенному в обратном направ­лении.

 

Зависимость тока через р — n-переход от напряжения — вольт- амперная характеристика перехода— изображена на рисунке 5.11. Видно, что эта зависимость совсем не похожа на линейную, т. е. для р— n-перехода закон Ома не справедлив: р — n-переход явля­ется «неомическим» сопротивлением. Его вольт-амперная характе­ристика несимметрична. В прямом направлении ток резко и прак­тически неограниченно увеличивается, в обратном сначала медлен­но увеличивается, затем перестает зависеть от напряжения вообще. Не зависящий от напряжения обратный ток почти в точности ра- вен /неосн*

 

Полупроводниковый диод. Благодаря резкому различию прямо­го и обратного сопротивлений р — /г-переход, подобно двухэлек­тродной электронной лампе, обладает выпрямляющим действием. Поэтому полупроводник, содержащий р — /г-переход, называют диодом. Работа полупроводникового диода в качестве выпрямителя рассматривается в школе. Остановимся на некоторых других при­менениях полупроводниковых диодов.

 

Фотодиод. Пусть диод включен в электрическую цепь в обрат­ном направлении. Через р — п-переход протекает небольшой ток, обусловленный неосновными носителями, возникающими в про­цессе термической генерации. Если на область р — /г-перехода направить излучение такой частоты, чтобы ftv> egyто это излуче­ние будет создавать пары электрон — дырка. Прирост числа не­основных носителей немедленно приведет к росту неосновного то­ка Aieocu* Ток в цепи резко увеличится. (Приростом числа основных носителей за счет излучения можно пренебречь, так как их концен­трация велика уже в отсутствие излучения.) Это увеличение можно использовать для измерения интенсивности излучения. Устройства, действующие по этому принципу, получили название фото­диодов.

 

Фотоэлектрический генератор. Излучение, падающее на фото­диод, приводит к росту неосновного тока /не0С11 вне зависимости от того, есть внешняя цепь или нет. Если внешняя цепь отсутствует, увеличение неосновного тока при освещении приведет к тому, что /7-область станет заряжаться положительно по отношению к п-области. Между /7- и я-областями начнет возникать разность по­тенциалов в прямом направлении. Благодаря тому, что суммарное поле в переходе при этом уменьшается, основной ток /осн начнет увеличиваться. Рост разности потенциалов будет продолжаться до тех пор, пока ток /0С11 не скомпенсирует возросший ток /не0сн« В итоге на переходе возникает постоянная разность потенциалов, величина которой тем больше, чем сильнее освещение. Таким об­разом, освещенный р — n-переход может служить источником по­стоянной э. д. с. На этом принципе устроены, например, солнечные 

батареи, преобразующие энергию солнечной радиации в электри­ческую энергию.

Светодиод. В области р—п-перехода концентрация свободных носителей мала: поле Etне позволяет носителю «задерживаться» у перехода. С ростом прямого тока суммарное поле в переходе Е = = Ее + Etможет сделаться малым по сравнению с полем Etи концентрации п и р в окрестности перехода резко возрастут. При этом увеличится интенсивность процессов рекомбинации электро­нов и дырок. При рекомбинации электрон переходит из с-зоны в и-зону. Энергия его уменьшается на величину eg.Эта энергия может быть передана колебаниям кристаллической решетки. Возможно также, что при рекомбинации будет испущен квант света с часто­той v, определяемой условием hv= eg.В последнем случае реком­бинация называется излучательной. Какой вид рекомбинации бу­дет преобладать на самом деле, зависит от свойств полупроводника. Если преобладает излучательная рекомбинация, то при прохожде­нии прямого тока р — n-переход становится источником излучения. Такие переходы называются светодиодами. В настоящее время ши­роко используются светодиоды из арсенида галлия (GaAs) — сое­динения галлия (Ga) и мышьяка (As), являющегося полупровод­ником. Они служат источниками инфракрасного излучения.

Излучательная рекомбинация в переходе используется также для создания полупроводниковых лазеров.

Транзисторы. Полупроводниковые устройства могут также вы­полнять функции сложных электронных ламп. Такие устройства называются транзисторами. Ниже рассмотрен простейший тран­зистор, который, подобно ламповому триоду, может усиливать электрические колебания.

Транзистор представляет собой кристалл полупроводника, со­стоящий из двух областей /i-типа, разделенных узкой р-областью (рис. 5.12). Левый р— n-переход включается в цепь, содержащую низковольтную батарею и источник слабого переменного напряже­ния U(сигнала). По отношению к батарее переход включен в пря­мом направлении. Правый переход подключается в обратном на­правлении к высоковольтной батарее и сопротивлению R(нагрузка).


р-Область транзистора называется базой, левая «-область, под­ключенная к источнику усиливаемого сигнала, — эмиттером, пра­вая «-область — коллектором.

В отсутствие сигнала через левый переход течет довольно боль­шой прямой ток. Переменное напряжение сигнала накладывается на постоянное и приводит к колебаниям прямого тока через левый переход. Благодаря этим колебаниям количество поступающих из эмиттера в базу электронов (неосновных носителей для /7-области) меняется вместе с напряжением сигнала. р-Область делается такой тонкой, чтобы все электроны, «впрыснутые» через левый переход, успели продиффундировать к правому переходу.

Когда сигнала нет, то через правый переход течет слабый обрат­ный ток /,,еосн> создаваемый неосновными носителями. Неосновны­ми носителями в р-области являются электроны. В их число входят и те электроны, которые пришли в базу из эмиттера через левый переход. При наличии переменного сигнала число электронов в пра­вом переходе меняется за счет изменения количества «впрыснутых» из эмиттера электронов, создавая колебания обратного тока. По величине эти колебания примерно равны колебаниям тока сигнала в цепи эмиттер—база.

Но, как видно из рисунка 5.11, небольшое изменение неоснов­ного (обратного) тока через переход приводит к огромному изме­нению напряжения на переходе. Таким образом, происходит уси­ление колебаний напряжения сигнала без существенного изменения тока. Усиленное напряжение можно снять с сопротивления (на­грузки) R.

В хороших транзисторах удается добиться усиления колебаний по мощности (которая равна произведению тока на напряжение) в миллион раз.

Template Settings
Select color sample for all parameters
Red Green Blue Gray
Background Color
Text Color
Google Font
Body Font-size
Body Font-family
Scroll to top