Теоретическое введение

В отношении электропроводящих свойств все вещества делятся на три класса: проводники, полу­проводники и диэлектрики.

В металлах (проводники первого класса) концентрация свободных электронов велика, поэтому сопротивление металлов электрическому току незначительно.

В диэлектриках концентрация свободных электронов ничтожно мала. Поэтому сопротивление диэлектриков значительно.

В отношении электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положе­ние между металлами и диэлектриками: удельное сопротивление металлов порядка 10"⁸ -10~^б Ом м, ди­электриков 10¹⁰ Ом м.

Характерной особенностью полупроводников является то, что электрические свойства резко ме­ня­ются под действием ряда факторов: температуры, освещения, электрического поля, примесей.

К полупроводникам относятся окислы и сульфиды металлов, а также некоторые интерметалличе­ские соединения.

Классическая электронная теория не может полностью объяснить свойства полупроводников. Де­ло заключается в том, что проводимость полупроводников не исчерпывается электронной проводимо­стью.

Рассмотрим два примера:

1. Пусть в кристалле германия Ge имеется в виде примеси атом (рис.1) сурьмы. Атом германия четырехвалентен и имеет на внешней электронной оболочке четыре электрона. Валентность сурьмы равна пяти. Поэтому замена атома германия атомом сурьмы приведет к появлению избыточного электрона. Таким образом, атомы сурьмы добавляют в решетку германия избыточные электроны, причем в целом кристалл остается электрически нейтральным.

При низких температурах эти электроны притягиваются положительными ионами сурьмы; при повышении температуры до комнатной вследствие тепловых колебаний решетки, связь электрона с ато­мом сурьмы нарушается и он становится свободным.

Полупроводники, проводимость которых обусловлена избыточными электронами, называются полупроводниками n-типа.

Примесные атомы с валентностью, превышающей валентность атомов решетки, называются донорными (донорами).

2. Примером полупроводников с проводимостью иного типа может служить тот же кристалл германия, но с примесью бора (рис.2). Атом бора трехвалентен. Вследствие структуры кристаллической решетки, обусловленной четырьмя валентными связями, атом бора захватывает один электрон у соседнего атома германия. Последний в свою очередь может захватить электрон у другого атома германия и т.д.

Такое последовательное "перескакивание" электронов, очевидно, эквивалентно движению в про­тивоположную сторону положительного заряда, равного по величине заряду электрона.

Дело обстоит так, будто перемещается "место электрона" - положительно заряженная "дырка".

Полупроводники, проводимость которых вызывается наличием "дырок" ("дырочная проводи­мость") называются полупроводниками р-типа.

Примесные атомы, валентность которых меньше валентности атомов кристалла, называются ак­цепторными (акцепторами), так как они захватывают электроны.

Некоторые типы проводников обладают одновременно обоими типами проводимости.

Рассмотрим механизм выпрямления тока на границе полупроводников. При отсутствии внешнего тока (рис. За) положительные "дырки" диффундируют в n-полупроводник и нейтрализуют часть элек­тронов. Свободные электроны из n-полупроводника также диффундируют в p-полупроводник, нейтрали­зуя часть дырок. В результате правый полупроводник оказывается заряженным положительно, левый - отрицательно, возникает контактная разность потенциалов, препятствующая дальнейшему перемеще­нию электронов и дырок через границу.

Приложим к рассмотренной системе разность потенциалов - плюс"+" к полупроводнику p-типа, минус"-" к полупроводнику n-типа (рис. Зб).

В этом случае внешняя разность потенциалов будет уменьшать контактную разность потенциа­лов. Электроны начнут двигаться к положительному полюсу батареи, "дырки" - к отрицательному, по цепи пойдет большой ток (прямой ток).

Если поменять полярность внешней батареи, то приложенное поле стремится оттянуть заряды обоих типов от границы, создавая в области контакта обедненную свободными зарядами зону (рис.3в).

Величина тока в этом случае будет мала и обусловлена тепловой диффузией электронов и дырок (обратный ток).

С известной степенью приближения зону, обедненную свободными зарядами, можно уподобить диэлектрику.

Проводники могут выдерживать возрастающее обратное напряжение до наступления пробоя по­рядка 10⁸ в/м.

Если внешнюю батарею заменить источником переменного тока, то на рассматриваемом участке цепи в течение одного периода будет наблюдаться значительный ток, в течение другого полупериода - очень малый, т.е. система будет служить выпрямителем.

Кривая зависимости тока I от напряжения U, приложенного к выпрямителю, называется его вольтамперной характеристикой(рис. 4).

Рассмотрим устройство выпрямителей:

Медно-закисный выпрямитель (рис.5а) состоит из контактного электрода 1 (цинковая или алюми­ниевая пластинка), слоя полупроводника -закиси меди 2 и медного электрода 3.

Селеновый выпрямитель принципиально ничем не отличается от медно-закисного (рис. Зб). Кон­тактным электродом является никелевая или алюминиевая пластинка 1, слой полупроводника - это тон­кий слой селена 2, второй электрод это сплав кадмия, висмута и олова 3. Выпрямление происходит на границе слоя селена с электродом 3.

Свойства выпрямителей характеризуются коэффициентом выпрямления, который равен отноше­нию прямого тока I_пр к обратному I_об , измеренным при одинаковых по величине прямом и обратном на­пряжениях.

К = , (1)

Каждая меднозакисная пластина позволяет выпрямлять переменный ток напряжением 10-25 вольт, а селеновая около 10 вольт. Для получения более высоких выпрямленных напряжений выпрями­тельные пластины собираются последовательно из расчета 20-25 В на каждую из пластин.