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.