§ 37-1. Прымесная праводнасць паўправаднікоў. Электронна-дзірачны пераход

Электронна-дзірачны пераход. Разгледзім паўправаднік, адна частка якога змяшчае донарную прымесь і таму з'яўляецца паўправадніком n-тыпу, а другая — акцэптарную прымесь і з'яўляецца паўправадніком p-тыпу. У зоне кантакту ўтвараецца тонкі слой, які называюць электронна-дзірачным пераходам або n–p-пераходам. Канцэнтрацыя свабодных электронаў у n-зоне значна вышэйшая, чым у p-зоне, адпаведна канцэнтрацыя дзірак у p-зоне значна большая за іх канцэнтрацыю ў n-зоне. З прычыны таго, што праз мяжу падзелу адбываецца дыфузія электронаў з n- у p-зону і дыфузія дзірак з p- у n-зону, на мяжы n- і p-зон з'яўляецца электрычнае поле. Яно перашкаджае далейшаму пераходу асноўных носьбітаў зараду праз мяжу падзелу. Іншымі словамі, у зоне пераходу паміж паўправаднікамі n- і p-тыпаў утвараецца замыкаючы слой (мал. 227.1, а).

Збяром электрычны ланцуг, які складаецца з крыніцы току, лямпачкі і паўправадніка з n–p-пераходам. Пры гэтым дадатны полюс крыніцы току падключым да р-зоны, а адмоўны — да n-зоны (мал. 227.1 б).

Пры замыканні ланцуга лямпачка свеціцца. Выснова відавочная: у ланцугу праходзіць электрычны ток. 

Растлумачым з'яву, якую назіралі. Пад уздзеяннем электрычнага поля, створанага крыніцай току, замыкаючы слой пачне знікаць, бо напружанасць  знешняга электрычнага поля крыніцы супрацьлеглая па напрамку напружанасці поля замыкаючага слоя і практычна цалкам кампенсуе яе. Гэта прыводзіць да аднаўлення дыфузіі асноўных носьбітаў зарада праз n–p-пераход: з зоны n у зону p-электронаў, а з зоны p у зону n-дзірак. Пры гэтым таўшчыня n–p-пераходу памяншаецца, значыць, памяншаецца і яго супраціўленне (мал. 227.1, в). У гэтым выпадку n–p-пераход уключаны ў прамым (прапускным) напрамку. 

А цяпер падключым дадатны полюс крыніцы току да n-зоны, а адмоўны — да р-зоны (мал. 227.1, г). Пры замыканні ланцуга лямпачка не свеціцца, гэта значыць электрычнага току ў ланцугу няма.

Прычына ў тым, што таўшчыня замыкаючага слоя і, значыць, яго супраціўленне павялічваюцца, бо напрамак напружанасці электрычнага поля, створанага крыніцай, супадае з напрамкам напружанасці поля замыкаючага слоя. У гэтым выпадку n–p-пераход уключаны ў адваротным напрамку, і ток праз n–p-пераход практычна не ідзе (калі не ўлічваць ток, створаны неасноўнымі носьбітамі зараду, канцэнтрацыя якіх малая ў параўнанні з канцэнтрацыяй асноўных носьбітаў).

Такім чынам, n–p-пераход у паўправадніку мае аднабаковую праводнасць. На малюнку 227.2 прыведзена вольт-амперная характарыстыка прамога переходу — участак ОВ і адваротнага пераходу — участак ОА.

Паўправадніковы дыёд. Уласцівасць аднабаковай праводнасці n–p-пераходу выкарыстоўваюць у паўправадніковых прыборах, якія называюць дыёдамі. Для атрымання n–p-пераходу бяруць, напрыклад, крышталь германію з донарнай прымессю. Такі крышталь валодае электроннай праводнасцю (або праводнасцю n-тыпу). Калі ў адну з паверхняў крышталя германію ўплавіць індый, то з прычыны дыфузіі атамаў індыю ў паверхневым слоі германію ўтворыцца зона з праводнасцю p-тыпу. Тая частка крышталя, у якую атамы індыю не праніклі, па-ранейшаму мае проводнасць n-тыпу. Паміж дзвюма зонамі з праводнасцямі розных тыпаў узнікае n–p-пераход (мал. 227.3, а). У паўправадніковым дыёдзе германій служыць катодам, а індый — анодам. Схематычнае абазначэнне дыёда прыведзена на малюнку 227.3, б.

Для аховы ад знешніх уздзеянняў крышталь германію змяшчаюць у герметычны металічны або шкляны корпус (мал. 227.3, в).

У паўправадніковых дыёдаў высокі каэфіцыент карыснага дзеяння, яны даўгавечныя і мініяцюрныя па памерах. Да недахопаў паўправадніковых дыёдаў адносіцца тое, што яны могуць працаваць у абмежаваным інтэрвале тэмператур (ад –70 ºС да 125 ºС). 

Паўправадніковыя дыёды з’ўляюца асноўнымі элементамі выпрамнікаў пераменнага току і дэтэктараў электрамагнітных сігналаў. З дапамогай паўправадніковых дыёдаў можна ажыццявіць непасрэднае ператварэнне энергіі электрамагнітнага выпраменьвання ў электрычную энергію. Такія дыёды называюць фотадыёдамі (гл. мал. 224).

Калі да выхадаў фотадыёда падключыць, напрыклад, рэзістар, то ў электрычным ланцугу праходзіць электрычны ток, які ўзнікае ў выніку дыфузіі праз n–p-пераход неасноўных носьбітаў электрычнага зараду, што ўтвараюцца пад уздзеяннем выпраменьвання, якое падае на фотадыёд. Прычым сіла электрычнага току, што праходзіць праз фотадыёд, лінейна залежыць ад інтэнсіўнасці святла, якое падае на яго. У дадзеным рэжыме фотадыёд працуе як крыніца току (сонечная батарэя). Калі фотадыёд уключаны ў адваротным напрамку, то ён працуе як фотарэзістар і яго можна выкарыстоўваць для кіравання токам у электрычным ланцугу. Фотадыёды прымяняюць у вымяральнай тэхніцы, сістэмах аўтаматыкі.

Святловыпрамяняльны дыёд (святлодыёд) — гэта паўправадніковы прыбор, які пераўтварае электрычную энергію непасрэдна ў светлавое выпраменьванне. Ён уяўляе з сябе мініацюрны паўправадніковы дыёд, змешчаны ў празрысты корпус (гл. мал. 225). Выкарыстоўваючы святлодыёды, вырабляюць, напрыклад, святлодыёдныя свяцільнікі (гл. мал. 226).

1. Растлумачце, як утвараецца n–p-пераход.

2. Ці можна атрымаць n–p-пераход шляхам упраўлення волава ў германій? Чаму?

3. Вызначце тып праводнасці паўправаднікоў I і II (мал. 227.4), калі дыёд уключаны ў адваротным (замыкаючым) напрамку.

4. На малюнках 227.5, а і б адлюстраваны n–p-пераходы двух дыёдаў і напрамкі руху асноўных носьбітаў электрычных зарадаў. Вызначце, праз які з дыёдаў праходзіць электрычны ток. Чаму?