ЛЕКЦИЯ N 14

§ 3. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод

Создадим контакт из двух полупроводников, один из которых p-типа, а другой n-типа, как это изображено на рис.14.3 Такой контакт называют электронно-дырочным переходом, или p-n переходом.

Рис. 14.3

Предположим для удобства рассмотрения, что контакт создан приведением в соприкосновение двух образцов полупроводника: p и n типа. В первый момент обе части созданного перехода будут электрически нейтральны.

В материале p-типа имеются свободные дырки, причем их концентрация равна концентрации         отрицательно ионизированных примесных  акцепторных атомов. В материале n-типа, справа от перехода, имеются свободные электроны. Их концентрация равна концентрации положительно заряженных примесных донорных атомов.

Кроме примесных носителей в полупроводнике всегда присутствует некоторое количество собственных носителей. Их концентрация при комнатной температуре мала по сравнению с концентрацией примесных носителей, поэтому их называют неосновными носителями.

Таким образом, в p-области концентрация дырок велика, а в n-области мала.  С   электронами   дело   обстоит  наоборот,  их  концентрация  велика  в n-области, а в p-области мала. За счет различия концентраций возникают диффузионные потоки (см. Ч. 4, лекция N 6, § 3).

Дырки из p-области будут двигаться в n-область, одновременно электроны из n-области будут диффундировать в область p.

Возникшие потоки зарядов приведут к нарушению электрической нейтральности. В p-области останутся нескомпенсированные отрицательно заряженные ионы акцепторных атомов. В n-области будет избыток положительно заряженных ионов донорных атомов. В результате образуется двойной слой разноименных зарядов, которые создадут электрическое поле, направленное от n-области к p-области, как это изображено на рисунке 14.4.

         Рис. 14.4

Возникшее поле будет препятствовать диффузионным потокам. Установится равновесное распределение носителей в области p-n перехода. В области двойного электрического слоя электроны и дырки, двигаясь навстречу друг другу, рекомбинируют, в результате p-n переход оказывается обедненным носителями, проводимость его становится маленькой.

Полупроводниковый диод - прибор, обладающий способностью хорошо пропускать через себя ток одного направления и плохо - противоположного направления. Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковую пластину с двумя областями различной проводимости: электронной (n-типа) и дырочной (p-типа). Между ними возникает p-n переход, который и обладает  односторонней проводимостью.

Подадим на p-n переход разность потенциалов Δφ (см. рисунок 14.5).

На рисунке 14.5а)  p-n  переход, смещенный в обратном  направлении  (к области p подан отрицательный потенциал, к n области - положительный),  ток  через переход почти отсутствует. На рисунке 14.5б)  p-n  переход смещен в прямом направлении (к области p  подан положительный потенциал, к области n -  отрицательный), в этом случае ток резко растет с ростом разности потенциалов на p-n переходе. Происходит это по следующим причинам.

Рис. 14.5

Если   отрицательный   полюс   источника    напряжения    соединен   с  p-областью, а положительный с n-областью (см. рис. 14.5а), то высота потенциального барьера для основных носителей возрастет. Иными словами - усилится электрическое поле, препятствующее движению основных носителей через p-n переход. В этом случае под действием внешнего поля через переход смогут двигаться только неосновные носители (на рис. 14.5а) в n-области изображена дырка, которая может "скатиться" с "потенциальной горки"). Следовательно, через p-n переход при обратном смещении будет течь только слабый ток неосновных носителей.

Теперь соединим положительный полюс источника с р-областью, а отрицательный - с n-областью.

В этом случае внешнее поле будет направлено в сторону, противоположную полю двойного электрического слоя. Величина потенциального барьера будет меньше, чем при отсутствии внешнего поля. При достаточно большой положительной внешней разности потенциалов барьер превратится в "горку" для основных носителей. Дырки из p-области будут под действием внешнего поля переходить в области n, а электроны из n-области - в область p. Возникает ток основных носителей через p-n переход, он будет экспоненциально возрастать с ростом положительной разности потенциалов.

Зависимость тока от напряжения (разности потенциалов) называют вольт-амперной характеристикой для полупроводникового диода. Вольт-амперная характеристика изображена на  рисунке 14.6.

Рис. 14.6

При отрицательном напряжении течет очень маленький ток неосновных носителей. Если отрицательное напряжение больше чем U_пр - возникает электрический пробой, через переход течет большой отрицательный ток.

 

§ 4 . Полупроводниковый триод - транзистор

Полупроводниковый триод, или транзистор, - это электронный прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Состоит он из двух p-n переходов, созданных в одном кристалле.

В зависимости от чередования переходов различают p-n-p и n-p-n транзисторы. Средняя часть триода называется базой. Толщина ее должна быть по возможности меньше. Области с противоположным типом проводимости, прилегающие к базе, называют эмиттером и коллектором. Конструктивно коллектор имеет больший объем, чем эмиттер.

Рассмотрим принцип работы транзистора на примере схемы, изображенной на рисунке 14.7 (схема с общей базой).

Рис. 14.7

На переход "эмиттер-база" подается небольшое постоянное смещение U_э в прямом направлении и усиливаемый переменный сигнал. Переход "база-коллектор" смещается в обратном направлении   значительно большем, чем U_э напряжением U_к. При таких смещениях сопротивление перехода "эмиттер-база" невелико, сопротивление перехода "база-коллектор" велико. Это позволяет взять в качестве нагрузки большое сопротивление R_вых.

На  рисунке 14.8 изображены графики потенциала в зависимости от координаты x в направлении перпендикулярном плоскостям p-n и n-p переходов (см.  рисунок 14.7).

 Рис. 14.8

В случае отсутствия смещения двойной электрический слой, как мы узнали выше, препятствует движению основных носителей через p-n переход. При прямом смещении перехода "эмиттер-база" величина барьера уменьшается и "барьер" может превратиться в "горку", с которой будут "скатываться" основные носители (см. рис. 14.5б).

Так дырки из эмиттера (у нас - p-область) будут в большом количестве переходить в область базы (n-область в нашем случае). Если база достаточно тонкая, то большая часть пришедших из эмиттера дырок за счет диффузии дойдет до перехода "база-коллектор", не успев рекомбинировать. А здесь для них, дырок, приготовлена потенциальная "горка", с которой они "скатываются" в область коллектора. У хорошего транзистора до 99% (и больше) основных носителей, вышедших из эмиттера, доходят до области коллектора. Можно считать, что ток коллектора I_к примерно равен току эммитера I_э. При изменении тока эмиттера, вызванном входным сигналом, настолько же изменится и ток коллектора. При этом мощность выходного сигнала будет больше, чем у входного, так как разность потенциалов на переходе "база-коллектор" больше, чем на переходе "эмиттер-база", а электрическая мощность, как известно, равна произведению тока на напряжение.

P = IU.

Таким образом, рассмотренная нами схема с общей базой усиливает сигнал по мощности.

 

Итоги лекции N 14

1. Атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор (Р), мышьяк (As), сурьма (Sb), добавленные в кристаллическую решетку четырехвалентных полупроводников германия (Ge) или кремния (Si), называются  донорными примесями.

2. Каждый атом донорной примеси может поставить в зону проводимости один электрон. Полупроводник с донорной примесью называется полупроводником n-типа, т.к. носителями заряда в этом случае яляются электроны, заряд которых отрицателен (от лат. negativ - отрицательный).

3. Энергия связи донорного электрона с ионным остатком ~ 10^-2 эВ, поэтому при комнатных температурах все донорные электроны переходят в зону проводимости (полная ионизация доноров). Вследствие этого примесная электронная проводимость не зависит от  температуры, а определяется только концентрацией доноров.

4. Атомы трехвалентных элементов,  таких как бор (В), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In), добавленные в кристаллическую решетку четырехвалентных полупроводников германия (Ge) и кремния (Si) называются акцепторными примесями.

5. Каждый атом акцептора может забрать из валентной зоны один электрон, создавая в ней носитель положительного заряда - дырку. Такой примесный полупроводник называется полупроводником р-типа (от лат. positiv - положительный).

6. Энергия, необходимая для ионизации акцептора невелика (~10^-2 эВ), поэтому уже при комнатных температурах  все акцепторы будут ионизированы. Вследствие этого дырочная проводимость не будет зависеть от температуры, а определяется только концентрацией акцепторов.

7. Контакт из двух примесных полупроводников с разным типом проводимости называется p-n-переходом. Такой переход обладает односторонней проводимостью. На основе свойств p-n перехода работает полупроводниковый диод.

8. Прибор, состоящий из двух p-n переходов, созданных в одном кристалле, называется полупроводниковым триодом или транзистором. Транзистор используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.