Електричний струм через контакт напівпровідників з різним типом провідності

Найбільш цікаві явища відбуваються при контакті напівпровідників n- і p-типів. Ці явища використовуються в більшості напівпровідникових приладів.

р-n-Перехід. Розглянемо, що буде відбуватися, якщо привести в контакт два однакових напівпровідника, але з різним типом провідності: зліва напівпровідник n-типу, а праворуч напівпровідник р-типу (рис. 16.10).

Запам’ятай
Контакт двох напівпровідників з різним типом провідності називають р-n- або n-р-переходом.
Електрони на малюнку зображені блакитними кружечками, дірки – сірими.

У лівій частині багато вільних електронів, а в правій їх концентрація дуже мала. У правій частині, навпаки, багато дірок, т. Е. Вакантних місць для електронів. Як тільки напівпровідники приводять у контакт, починається дифузія електронів з області зпровідністю n-типу в область з провідністю p-типу і відповідно перехід дірок у зворотному напрямку. Перейшли в напівпровідник p-типу електрони займають вільні місця, відбувається процес рекомбінації електронів і дірок, а потрапили в напівпровідник n-типу дірки також зникають завдяки електронам, що займає вакантне місце. Таким чином, поблизу кордону розділу напівпровідників з різним типом провідності виникає шар, збіднений носіями струму (його називають контактним шаром). Цей шар фактично являє собою діелектрик, його опір дуже велике. При цьому напівпровідник n-типу заряджається позитивно, а напівпровідник р-типу – негативно. У зоні контакту виникає стаціонарне електричне поле напруженістю до, що перешкоджає подальшій дифузії електронів і дірок.

Поясніть, чому напівпровідник з одного і того ж матеріалу може мати різний тип провідності.

Сумарний опір наведених в контакт напівпровідників складається з опору напівпровідника л-типу, р-n-переходу і напівпровідника p-типу: R = Rn + Rpn + Rр. Так як опору областей з n- і p-типами провідності малі (там багато носіїв заряду – електронів і дірок), то сумарний опір визначається в основному опором р-n-переходу: R ≈ Rpn.

Напруженість зовнішнього поля буде спрямована у бік, протилежний напруженості контактного шару
Включимо напівпровідник з р-n-переходом в електричний ланцюг так, щоб потенціал напівпровідника p-типу був позитивним, а n-типу – негативним (рис. 16.11). У цьому випадку напруженість зовнішнього поля буде спрямована у бік, протилежний напруженості контактного шару.

Модуль сумарною напруженості E = Eк – Eвнеш. Так як поле, яке утримує носії струму, слабшає, то у електронів вже достатньо енергії, щоб його подолати.

Важливо
Через перехід піде струм, при цьому він буде створений основними носіями – з області з n-типом провідності в область з p-типом провідності йдуть електрони, а з області з p-типом в область з n-типом – дірки. У цьому випадку р-n-перехід називається прямим.

Залежність сили струму від різниці потенціалів – вольт-амперна характеристика прямого переходу
Відзначимо, що електричний струм йде у всій ланцюга: від позитивного контакту через область p-типу до р-n-переходу, потім через область n-типу до негативного контакту (рис. 16.12). Провідність всього зразка велика, а опір мало. Чим більше подається на контакт напруга, тим більше сила струму.

Залежність сили струму від різниці потенціалів – вольт-амперна характеристика прямого переходу – зображена на малюнку (16.13) суцільною лінією.

Відзначимо, що зміна напруги, що подається призводить до різкого збільшення сили струму. Так, збільшення напруги на 0,25 В може призвести до збільшення сили струму в 20000 разів.

При прямому переході опір замикаючого шару мало, і воно також залежить від напруги, що подається, зі збільшенням якого опір зменшується.

Змінимо тепер полярність підключення батареї. У цьому випадку напруженості зовнішнього і контактного полів спрямовані в одну сторону (рис. 16.14) і модуль сумарною напруженості E = Eк – Eвнеш. Зовнішнє поле відтягує електрони і дірки від контактного шару, у результаті чого він розширюється. У зв’язку з цим у електронів вже не вистачає енергії для того, щоб подолати цей шар. Тепер перехід через контакт здійснюється неосновними носіями, число яких мало.

Важливо
Опір контактного шару дуже велике. Струм через р-n-перехід не йде. Утворюється так званий замикаючий шар. Такий перехід називається зворотним.

Вольт-амперна характеристика зворотного переходу зображена на малюнку 16.13 штриховий лінією.

р-n-Перехід стосовно струму виявляється несиметричним: в прямому напрямку опір переходу значно менше, ніж у зворотному. Таким чином, р-n-перехід можна використовувати для випрямлення електричного струму.

Запам’ятай
Пристрій, що містить р-n-перехід і здатне пропускати струм в одному напрямку і не пропускати в протилежному, називається напівпровідниковим діодом.

Якщо на контакти напівпровідникового діода подати змінну напругу, то струм по ланцюгу піде тільки в одну сторону.

Напівпровідникові діоди виготовляють з германію, кремнію, селену та інших речовин.

Проведіть під керівництвом вчителя експеримент. Зберіть ланцюг, що містить джерело струму, реостат, амперметр, напівпровідниковий діод і ключ. Замкніть ключ. Виміряйте силу струму. Розімкніть ключ і підключіть проводи до інших полюсах джерела струму. Замкніть ланцюг і знову виміряйте силу струму. Зробіть висновки.

Внаслідок дифузії вони впроваджуються в кристал, і на поверхні кристала з провідністю р-типу утворюється область з електронним типом провідності
Розглянемо, як створюють р-n- перехід, використовуючи германій, що володіє провідністю n-типу, з невеликою добавкою донорної домішки. Цей перехід не вдається отримати шляхом механічного з’єднання двох напівпровідників з різними типами провідності, тому що при цьому виходить занадто великий зазор між напівпровідниками. Товщина ж р-n-переходу повинна бути не більше міжатомних відстаней, тому в одну з поверхонь зразка вплавляют індій. Для створення напівпровідникового діода напівпровідник з домішкою p-типу, який міститиме атоми індію, нагрівається до високої температури. Пари домішки n-типу (наприклад, миш’яку) осідають на поверхню кристала. Внаслідок дифузії вони впроваджуються в кристал, і на поверхні кристала з провідністю р-типу утворюється область з електронним типом провідності (рис. 16.15).

Для запобігання шкідливих впливів повітря і світла кристал германію поміщають в герметичний металевий корпус.

Напівпровідникові діоди застосовують в детекторах приймачів для виділення сигналів низької частоти, для захисту від неправильного підключення джерела до ланцюга.

У світлофорах використовуються спеціальні напівпровідникові діоди. При прямому підключенні такого діода відбувається активна рекомбінація електронів і дірок. При цьому виділяється енергія у вигляді світлового випромінювання.

Схематичне зображення діода
Схематичне зображення діода приведено на малюнку 16.16. Напівпровідникові випрямлячі володіють високою надійністю і мають великий термін служби. Однак вони можуть працювати лише в обмеженому інтервалі температур (від -70 до 125 ° С).

Транзистори. Ще одне застосування напівпровідників з домішковим типом провідності – транзистори – прилади, використовувані для посилення електричних сигналів.

Розглянемо один з видів транзисторів з германію або кремнію з введеними в них донорними і акцепторними домішками. Розподіл домішок таке, що створюється дуже тонка (товщиною порядку декількох мікрометрів) прошарок напівпровідника n-типу між двома шарами напівпровідника p-типу (рис. 16.17). Цю тонкий прошарок називають підставою чи базою.

У кристалі утворюються два р-n-переходу, прямі напрямки яких протилежні. Три висновки від областей з різними типами провідності дозволяють включати транзистор в схему, зображену на малюнку 16.17. У даній схемі при підключенні батареї Б1 лівий р-n-перехід є прямим. Лівий напівпровідник з провідністю p-типу називають емітером. Якби не було правого р-n-переходу, в ланцюзі емітер – база існував би струм, що залежить від напруги джерел (батареї Б1 і джерела змінної напруги) і опору кола, включаючи малий опір прямого переходу емітер – база.

Батарея Б2 включена так, що правий n-р-перехід у схемі (див. Рис. 16.17) є зворотним. Права область з провідністю p-типу називається колектором. Якби не було лівого р-n-переходу, сила струму в ланцюзі колектора була б близька до нуля, тому що опір зворотного переходу дуже велике. При існуванні ж струму в лівому р-n-переході з’являється струм і в ланцюзі колектора, причому сила струму в колекторі лише трохи менше сили струму в емітер. (Якщо на емітер подано негативне напруга, то лівий р-n-перехід буде зворотним, і струм в ланцюзі емітера і в ланцюзі колектора буде практично відсутній.)

Це пояснюється наступним чином. При створенні напруги між емітером і базою основні носії напівпровідника p-типу (дірки) проникають в базу, де вони є вже неосновними носіями. Оскільки товщина бази дуже мала і число основних носіїв (електронів) в ній невелика, що потрапили в неї дірки майже не об’єднуються (Не рекомбинируют) з електронами бази і проникають в колектор за рахунок дифузії. Правий р-n-перехід закритий для основних носіїв заряду бази – електронів, але не для дірок. У колекторі дірки захоплюються електричним полем і замикають ланцюг. Сила струму, відгалужується в ланцюг емітера з бази, дуже мала, оскільки площа перерізу бази в горизонтальній (див. Рис. 16.17) площині багато менше перетину у вертикальній площині.

Сила струму, відгалужується в ланцюг емітера з бази, дуже мала, оскільки площа перерізу бази в горизонтальній площині багато менше перетину у вертикальній площині

Сила струму в колекторі, майже рівна силі струму в емітер, змінюється разом зі струмом через емітер. Опір резистора R мало впливає на струм в колекторі, і цей опір можна зробити досить великим. Керуючи струмом емітера за допомогою джерела змінної напруги, включеного в його ланцюг, ми отримаємо синхронне зміна напруги на резисторі R.

При великому опорі резистора зміна напруги на ньому може в десятки тисяч разів перевищувати зміна напруги сигналу в ланцюзі емітера. Це означає посилення напруги. Тому на навантаженні R можна отримати електричні сигнали, потужність яких у багато разів перевищує потужність, що надходить в ланцюг емітера.

Застосування транзисторів. Сучасна електроніка базується на мікросхемах і мікропроцесорах, що включають в себе колосальне число транзисторів.

Перша інтегральна схема надійшла в продаж в 1964 р Вона містила шість елементів – чотири транзистора і два резистора. Сучасні мікросхеми містять мільйони транзисторів.

Комп’ютери, складені з мікросхем і мікропроцесорів, фактично змінили навколишній світ людини. В даний час не існує жодної галузі людської діяльності, де комп’ютери не служили б активними помічниками людини. Наприклад, в космічних дослідженнях або високотехнологічних виробництвах працюють мікропроцесори, рівень організації яких відповідає штучному інтелекту.

Транзистори (рис. 16.18, 16.19) отримали надзвичайно широке поширення в сучасній техніці. Вони замінили електронні лампи в електричних ланцюгах наукової, промислової та побутової апаратури. Портативні радіоприймачі, в яких використовуються такі прилади, у побуті називаються транзисторами. Перевагою транзисторів (так само як і напівпровідникових діодів) порівняно з електронними лампами є насамперед відсутність напруженого катода, що споживає значну потужність і потребуючого часу для його розігріву. Крім того, ці прилади в десягкі і сотні разів менше за розмірами і масою, ніж електронні лампи.

Посилання на основну публікацію