Print bookPrint book

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

Site: Профильное обучение
Course: Физика. 10 класс
Book: § 37-1. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод
Printed by: Guest user
Date: Monday, 2 December 2024, 5:06 PM

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).

Рис.
Рис. 227.1

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 E with rightwards arrow on top внешнего электрического поля источника противоположна по направлению напряжённости E with rightwards arrow on top to the power of asterisk times 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.

Рис.
Рис. 227.2

Причина в том, что толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются, так как направление напряжённости E with rightwards arrow on top электрического поля, созданного источником, совпадает с направлением напряжённости E with rightwards arrow on top to the power of asterisk times 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.

Рис.
Рис. 227.3

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).

img

img

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.

Рис.
Рис. 227.4

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?

Рис.
Рис. 227.5