Электрический ток через контакт полупроводников р- и п-типов
26.01.2015
Урок № 37 (9 класс)
Тема: Термисторы
Электрический ток через контакт полупроводников р- и п-типов
(p-n переход)
Особое значение в технике имеет приведение в контакт полупроводников различных проводимостей. Что же произойдет при таком контакте? Вследствие диффузии зарядов начнется проникновение электронов в p-полупроводник, а дырок – в n-полупроводник. В результате чего на границе образуется так называемый запирающий слой, который своим электрическим полем препятствует дальнейшему обмену зарядами (рис. 6).
Рис. 1. Запирающий слой при p-n переходе
Для построения вольт-амперной характеристики n-p перехода была собрана следующая схема (см. рис. 2), благодаря которой можно как менять полярность, так и величину напряжения, подаваемого на p-n переход.
Рис.2. Схема для получения характеристики и сама вольт-амперная характеристика p-n перехода соответственно.
На рисунке 16.10 изображена схема полупроводника, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является полупроводником n-типа, а левая - акцепторные примеси и представляет собой полупроводник р-типа; между ними - зона перехода - зона, обедненная зарядами. В ней происходит рекомбинация электронов и дырок. Электроны изображены голубыми кружочками, дырки - серыми. Контакт двух полупроводников называют р-n- или n-р-переходом.
При образовании контакта электроны частично переходят из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, а дырки - в обратном направлении. В результате полупроводник n-типа заряжается положительно, ар-типа - отрицательно. Диффузия прекращается после того, как электрическое поле, возникающее в зоне перехода, начинает препятствовать дальнейшему перемещению электронов и дырок.
Включим полупроводник с р-n-переходом в электрическую цепь (рис.16.11). Подключим сначала батарею так, чтобы потенциал полупроводника р-типа был положительным, а n-типа - отрицательным. При этом ток через р-n-переход создается основными носителями: из области n в область р - электронами, а из области р в область n - дырками (рис.16.12).
Вследствие этого проводимость всего образца велика, а сопротивление мало.
Рассмотренный здесь переход и называют прямым. Зависимость силы тока от разности потенциалов - вольт-амперная характеристика прямого перехода - изображена на рисунке 16.13 сплошной линией.
Изменим теперь полярность подключения батареи. Тогда при той же разности потенциалов сила тока в цепи окажется значительно меньше, чем при прямом переходе. Это обусловлено следующим. Электроны через контакт идут теперь из области р в область n, а дырки - из области n в область р. Но ведь в полупроводнике р-типа мало свободных электронов, а в полупроводнике n-типа мало дырок. Теперь переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало (рис.16.14). Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление - большим. Образуется так называемый запирающий слой. Такой переход называют обратным. Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке 16.13 штриховой линией.
Таким образом, р-n-переход можно использовать для выпрямления электрического тока. Такое устройство называется полупроводниковым диодом.
Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.
Рассмотрим, как создают р-n-переход, используя германий, обладающий проводимостью n-типа, с небольшой добавкой донорной примеси. Этот переход не удается получить путем механического соединения двух полупроводников с различными типами проводимости, так как при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Толщина же р-n-перехода должна быть не больше межатомных расстояний, поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Для создания полупроводникового диода полупроводник с примесью р-типа, содержащий атомы индия, нагревается до высокой температуры. Пары примеси n-типа (например, мышьяка) осаждают на поверхность кристалла. Вследствие диффузии они внедряются в кристалл, и на поверхности кристалла с проводимостью р-типа образуется область с электронным типом проводимости (рис.16.15).
Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметичный металлический корпус.
Схематическое изображение диода приведено на рисунке 16.16. Полупроводниковые выпрямители обладают высокой надежностью и имеют большой срок службы. Однако они могут работать лишь в ограниченном интервале температур (от -70 до 125°С).
p-n-переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном.
Свойства р-n-перехода используют для выпрямления переменного тока. На протяжении половины периода изменения тока через переход, когда потенциал полупроводника р-типа положителен, ток свободно проходит через р-n-переход. В следующую половину периода ток практически равен нулю.
2. Полупроводниковые приборы
Малые размеры и очень большое качество пропускаемых сигналов сделали полупроводниковые приборы очень распространенными в современной электронной технике. В состав таких приборов может входить не только вышеупомянутый кремний с примесями, но и, например, германий. Одним из таких приборов является диод – прибор, способный пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Он получается вживлением в полупроводниковый кристалл p- или n-типа полупроводника другого типа (рис. 11).
Рис. 3. Обозначение диода на схеме и схема его устройства соответственно
Другим прибором, теперь уже с двумя p-n переходами, называется транзистор. Он служит не только для выбора направления пропускания тока, но и для его преобразования.
Следует отметить, что в современных микросхемах используется множество комбинаций диодов, транзисторов и других электрических приборов.
Рис. 12. Схема строения транзистора и его обозначение на электрической схеме соответственно
Транзистор - хитроумный прибор. Понять принципы работы транзистора нелегко, но ведь его сумели изобрести! Надеемся, что вы сможете понять, как он работает, даже по краткому описанию.
Рассмотрим один из видов транзисторов из германия или кремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что создается очень тонкая (толщиной порядка нескольких микрометров) прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типа (рис.16.17). Эту тонкую прослойку называют основанием, или базой.
В кристалле образуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, изображенную на рисунке 16.17. В данной схеме левый р-n-переход является прямым и отделяет базу от области с проводимостью р-типа, называемую эмиттером. Если бы не было правого р-n-перехода, в цепи эмиттер - база существовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напряжения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого перехода эмиттер - база.
Батарея Б2 включена так, что правый р-n-переход в схеме (см. рис. 16.17) является обратным. Он отделяет базу от правой области с проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы не было левого р-n-перехода, сила тока в цепи коллектора была бы близка к нулю, так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом р-n-переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.
Это объясняется следующим. При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа (дырки) проникают в базу, где они являются уже неосновными носителями. Поскольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико, попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронами базы и проникают в коллектор за счет диффузии. Правый р-n-переход закрыт для основных носителей заряда базы - электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (см. рис. 16.17) плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости.
Сила тока в коллекторе, почти равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током через эмиттер. Сопротивление резистора R мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе R.
При большом сопротивлении резистора изменение напряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепь эмиттера.
Применение транзисторов. Современная электроника базируется на микросхемах и микропроцессорах, включающих в себя колоссальное число транзисторов. Компьютеры, составленные из микросхем и микропроцессоров, фактически изменили окружающий человека мир. В настоящее время не существует ни одной области человеческой деятельности, где компьютеры не служили бы активными помощниками человека. Например, в космических исследованиях или высокотехнологичных производствах работают микропроцессоры, уровень организации которых соответствует искусственному интеллекту.
Транзисторы (рис.16.18, 16.19) получили чрезвычайно широкое распространение в современной технике. Они заменяют электронные лампы в электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры. Портативные радиоприемники, использующие такие приборы, в обиходе называются транзисторами. Преимуществом транзисторов (так же как и полупроводниковых диодов) по сравнению с электронными лампами является прежде всего отсутствие накаленного катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, эти приборы в десятки и сотни раз меньше по размерам и массе, чем электронные лампы. Работают они при более низких напряжениях.
Свойства р-n-перехода в полупроводниках используются для усиления и генерации электрических колебаний.
Домашнее задание:
1. Ф.Я.Божинова, Н.М.Кирюхин, Е.А.Кирюхина. Физика, 9 класс, «Ранок», Харьков, 2009. § 23 (с.125-129) читать.
2. Ответить на вопросы (устно):
1. Что происходит в контакте двух проводников n- и р-типов?
2. Что такое запирающий слой?
3. Какой переход называют прямым?
4. Для чего служит полупроводниковый диод?
5. Почему база транзистора должна быть узкой?
6. Как надо включать в цепь транзистор, у которого база является полупроводником р-типа, а эмиттер и коллектор - полупроводниками n-типа?
7. Почему сила тока в коллекторе почти равна силе тока в эмиттере?