§ 37-1. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод

Электронно-дырочный переход. Рассмотрим полупроводник, одна часть которого содержит донорную примесь и поэтому является полупроводником n-типа, а вторая — акцепторную примесь и является полупроводником p-типа. В зоне контакта образуется тонкий слой, который называют электронно-дырочным переходом или n–p-переходом. Концентрация свободных электронов в n-области значительно выше, чем в p-области, соответственно концентрация дырок в p-области значительно больше их концентрации в n-области. Из-за того, что через границу раздела происходит диффузия электронов из n- в p-область и диффузия дырок из p- в n-область, на границе n- и p-областей появляется электрическое поле. Оно препятствует дальнейшему переходу основных носителей заряда через границу раздела. Иными словами, в зоне перехода между полупроводниками n- и p-типов образуется запирающий слой (рис. 227.1, а).

Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампочки и полупроводника с n–p-переходом. При этом положительный полюс источника тока подключим к p-области, а отрицательный — к n-области (рис. 227.1, б).

При замыкании цепи лампочка светится. Вывод очевиден: в цепи проходит электрический ток.

Объясним наблюдаемое явление. Под действием электрического поля, созданного источником тока, запирающий слой начнёт исчезать, так как напряжённость внешнего электрического поля источника противоположна по направлению напряжённости поля запирающего слоя и может практически полностью скомпенсировать её. Это приводит к возобновлению диффузии основных носителей заряда через n–p-переход: из области n в область p — электронов, а из области p в область n — дырок. При этом толщина n–p-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление (рис. 227.1, в). В этом случае n–p-переход включён в прямом (пропускном) направлении.

А теперь подключим положительный полюс источника тока к n-области, а отрицательный — к p-области (рис. 227.1, г). При замыкании цепи лампочка не светится, т. е. электрического тока в цепи нет.

Причина в том, что толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются, так как направление напряжённости электрического поля, созданного источником, совпадает с направлением напряжённости поля запирающего слоя. В этом случае n–p-переход включён в обратном (запирающем) направлении и ток через n–p-переход практически отсутствует (если не учитывать ток, созданный неосновными носителями заряда, концентрация которых мала по сравнению с концентрацией основных носителей).

Таким образом, n–p-переход в полупроводнике обладает односторонней проводимостью. На рисунке 227.2 представлена вольт-амперная характеристика прямого перехода — участок ОВ и обратного перехода — участок ОА.

Полупроводниковый диод. Свойство односторонней проводимости n–p-перехода используют в полупроводниковых приборах, называемых диодами. Для получения n–p-перехода берут, например, кристалл германия с донорной примесью. Такой кристалл обладает электронной проводимостью (или проводимостью n-типа). Если в одну из поверхностей кристалла германия вплавить индий, то вследствие диффузии атомов индия в поверхностном слое германия образуется область с проводимостью p-типа. Та часть кристалла, в которую атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между двумя областями с проводимостями разных типов возникает n–p-переход (рис. 227.3, а). В полупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий — анодом. Схематическое обозначение диода представлено на рисунке 227.3, б.

Для защиты от внешних воздействий кристалл германия помещают в герметичный металлический или стеклянный корпус (рис. 227.3, в).

У полупроводниковых диодов высокий коэффициент полезного действия, они долговечны и миниатюрны по размерам. К недостаткам полупроводниковых диодов относится то, что они могут работать в ограниченном интервале температур (от ‒70 ºС до 125 ºС).

Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного тока и детекторов электромагнитных сигналов. С помощью полупроводниковых диодов можно осуществить непосредственное превращение энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию. Такие диоды называют фотодиодами (см. рис. 224).

Если к выходам фотодиода подключить, например, резистор, то в электрической цепи проходит электрический ток, возникающий в результате диффузии через n–p-переход неосновных носителей электрического заряда, которые образуются под действием излучения, падающего на фотодиод. Причём сила электрического тока, проходящего через фотодиод, линейно зависит от интенсивности падающего на него света. В данном режиме фотодиод работает как источник тока (солнечная батарея). Если фотодиод включён в обратном направлении, то он работает как фоторезистор и его можно использовать для управления током в электрической цепи. Фотодиоды применяют в измерительной технике, системах автоматики.

Светоизлучающий диод (светодиод) — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию непосредственно в световое излучение. Он представляет собой миниатюрный полупроводниковый диод, помещённый в прозрачный корпус (см. рис. 225). Используя светодиоды, изготавливают, например, светодиодные светильники (см. рис. 226).

1. Объясните, как образуется n–p-переход.

2. Можно ли получить n–p-переход вплавлением олова в германий? Почему?

3. Определите тип проводимости полупроводников I и II (рис. 227.4), если диод включён в обратном (запирающем) направлении.

4. На рисунках 227.5, а и б изображены n–p-переходы двух диодов и направления движения основных носителей электрических зарядов. Определите, через какой из диодов проходит электрический ток. Почему?