Випрямляє дію електронно-діркового переходу в напівпровідниках
Контакт двох напівпровідників володіє випрямляючих дією. Це означає, що опір такого контакту залежить від напрямку проходить через нього струму. В одному напрямку (запорном) воно велике, в протилежному (пропускному) - мало. Особливо різко випрямляє дія виражена на кордоні діркового (р) і електронного (n) напівпровідників, коли робота виходу електрона з електронного напівпровідника менше, ніж з діркового. Про таке контакті говорять, як про електронно-діркового (р-n) контакті або переході.
Для отримання хороших p-n переходів в пластинку чистого напівпровідника вводять дві домішки - донорними і акцепторну. Перша повідомляє напівпровідника електронну, а друга - дірковий провідність. Наприклад, якщо пластинка зроблена з германію або кремнію, то в якості донора можна взяти елемент п'ятої групи періодичної системи (фосфор, миш'як і ін.), А в якості акцептора - елемент третьої групи (бор, індій та ін.). В результаті в одній половині пластинки виникає електронна, а в іншій - діркова провідність, а між обома половинками - тонкий перехідний шар. Це і є p-n перехід.
Припустимо, що контакту між двома напівпровідниками з одного матеріалу, але з різними типами домішки немає. Тоді кордону енергетичних зон (валентної зони і зони провідності) в обох напівпровідниках збігаються. Домішкові ж рівні в забороненій зоні розташовані в електронному напівпровіднику поблизу зони провідності, а в дірковому полупроводнике - поблизу валентної зони. Завдяки цьому середня енергія електрона провідності і рівень хімічного потенціалу (m n) в першому напівпровіднику будуть вище, а робота виходу - менше, ніж у другому (m p) (рис. 1).
Зонна схема p- і n-напівпровідників
Наведемо напівпровідники в контакт один з одним. Електрони будуть переходити з першого напівпровідника в другій. Електронний напівпровідник буде заряджатися позитивно, а дірковий - негативно. У тонкому шарі між ними з'явиться контактна електричне поле, спрямоване від електронного напівпровідника до Діркові. В результаті цього енергетичні рівні електронного напівпровідника почнуть опускатися, а діркового - підніматися.
Контактна електричне поле E до гальмуватиме перехід електронів в дірковий напівпровідник. Процес переходу припиниться, коли рівні хімічного потенціалу в обох напівпровідниках стануть однаковими. Перехідний шар стає сильно збідненим основними носіями струму (електронами в n -полупроводніке і дірками в р -полупроводніке). Його опір виявляється в багато разів більше сумарного опору обох напівпровідників. На рис. 2 приведена схема енергетичних рівнів в разі контакту напівпровідників з різним типом домішок у відсутності зовнішнього поля.
Зсув зон при контакті p- і n-напівпровідників
Приєднаємо тепер до цього кристалу сторонню е.р.с. так, як це показано на рис. 3: мінус до р -крісталлу, і плюс до n -крісталлу.
Замикає підключення переходу
Таке підключення будемо називати «зворотним». Зовнішнє електричне поле Е при цьому направлено від електронного напівпровідника до Діркові, тобто однаково з контактним полем Е c. Таке поле підсилює контактне поле Е c і тим самим ще більше зменшує концентрацію основних носіїв (дірок і електронів провідності) в перехідному шарі. Опір останнього ще більше зросте. Величина струму I s через напівпровідник в разі подачі на нього напруги дуже мала, так як визначається неосновними носіями струму, концентрація яких незначна.
Змінимо тепер полюси зовнішньої е.р.с. (Рис. 4).
Пропускає підключення переходу
Таке підключення будемо називати «прямим». У цьому випадку зовнішнє поле Е буде направлено проти контактного поля Е c. Тоді електрони провідності і дірки будуть безперешкодно проникати в перехідний шар, і опір останнього практично зникне. Величина струму через контакт буде визначатися вже основними носіями струму, концентрація яких велика, і струм через р-n - перехід буде значний.
Якщо струм змінний, то в залежності від його напряму і сили опір контакту стає пульсуючим, змінюючись від нуля практично до безкінечності. Відповідно до цього ток через контакт буде проходити тільки тоді, коли зовнішнє поле Е направлено від діркового напівпровідника до електронного (рис. 4).
На цьому принципі працюють напівпровідникові випрямлячі.
Залежність струму I від напруги (вольт-амперна характеристика р-n - переходу) описується формулою (1):
де с - постійна, яка не залежить від температури і прикладеного напруги;
D E - ширина забороненої зони;
u - прикладена напруга;
e - величина заряду електрона;
до - постійна Больцмана.
Множник - компонента струму, обумовлена неосновними носіями (I s). Тоді формула (1) набуває вигляду:
Знак «+» в показнику ступеня відповідає напрузі u пр. Прикладеному в прямому напрямку (рис. 4), знак «-» відповідає напрузі u обр. додається в зворотному напрямку (рис. 3).
З формули (2) випливає, що при кімнатній температурі струм через p-n - перехід, зміщений в прямому напрямку, зростає експоненціально з ростом напруги навіть, якщо напруга становить всього кілька десятих вольта. У разі зворотного зсуву при тих же значеннях напруги величина струму дорівнює I s і, відповідно, дуже мала.
Час ініціації (log t o від -8 до -5);
Час існування (log t c від -7 до 15);
Час деградації (log t d від -8 до -5);
Час оптимального прояви (log t k від -6 до -1).
Технічні реалізації ефекту
Технічна реалізація ефекту
Технічна реалізація виключно проста: беремо стандартний напівпровідниковий діод, і вимірюємо тестером його опір в прямому і зворотному напрямку. Переконуємося, що ці опору розрізняються на кілька порядків величини. Далі: подаємо мережеві 220 В на вхід осцилографа, спочатку безпосередньо (спостерігаємо синусоїду), а потім через послідовно включений діод. Залежно від полярності підключення діода, спостерігаємо синусоїду з відрізаними позитивними або негативними напівперіодами.
Напівпровідникові діоди-випрямлячі застосовуються в радіотехніці, для випрямлення і перетворення електричних коливань високої частоти, для посилення і генерації електричних коливань, в лічильно-обчислювальних електронних пристроях і т.д.
Напівпровідникові випрямлячі відрізняються високими ККД малими габаритами і невисокою вартістю. Один з типів германієвих випрямлячів складається з пластинки германію з електронною провідністю, в яку з одного боку уварений кулька індію, а з іншого - кулька олова. Олов'яний кулька служить електродом для включення випрямляча в ланцюг. Індій повідомляє германію дірковий провідність. При нагріванні індій дифундує в германій, внаслідок чого поблизу індієвий електрода виникає діркова провідність, а на деякій глибині - будівник p-n - перехід.
Такі випрямлячі при площі контакту 1 мм 2 і напрузі 1 В пропускають струми більше 1 А, причому пропускалися струми зворотного напрямку зазвичай не перевищують кількох мікроампер. При площі контакту в кілька см 2 випрямлячі можуть пропускати струми в кілька сотень ампер. Їх пробійні напруги досягають багатьох сотень і тисяч вольт.
1.Фізичні енциклопедичний словник М. 1983.
2. Сивухин Д.В. Загальний курс фізікі.- М. Наука, 1977.
- напівпровідник
- p-n перехід
- домішка
- донор
- акцептор
- випрямлення
- електрон
- дірка
- струм
- основні носії
- електричне поле
- пряме зміщення
- зворотне зміщення
Розділи природничих наук: