Рис.8                                                                                               никают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает   р— n-переход.

 На рис. 8 показан ход концентрации примесей в направлении, перпендикулярном к граничному слою. В р-области основными носителями тока являются дыр­ки, образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси (акцепторы при этом становятся от­рицательными ионами); кроме того, в этой области имеется небольшое число неосновных носителей — элек­тронов, возникающих вследствие перевода тепловым движением  электронов из валентной зоны непосредст­венно в зону проводимости (этот процесс немного уве­личивает и число дырок). В n-области основные но­сители тока—электроны, отданные донорами в зону проводимости (доноры при этом превращаются в поло­жительные ионы); происходящий за счет теплового дви­жения переход электронов из валентной зоны в зону проводимости приводит к образованию небольшого числа, дырок — неосновных носителей для этой об­ласти. Диффундируя во встречных направлениях через по­граничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг другом. Поэтому р—n-переход оказывается силь­но обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между обла­стями возникает двойной электрический слой, образованный отрицатель­ными ионами акцептор­ной примеси, заряд кото­рых теперь не компенси­руется дырками, и поло­жительными ионами- донорной примеси, заряд ко­торых теперь не компен­сируется    электронами {рис; 9; кружки—ионы, черные течки — электро­ны, белые точки—дыр­ки) . Электрическое поле

Рис.9

в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей. Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой

Рис.10

уровни Ферми обеих областей располагаются на одина­ковой высоте (рис. 10). Изгибание энергетических зон в области перехода вызвано тем, что потенциал р-области в состоянии равновесия ниже, чем потенциал n-об­ласти; соответственно потенциальная энергия электрона в р-области больше, чем в n-области. Нижняя граница  валентной зоны дает ход потенциальной энергии элек­трона Wpэ в направлении, перпендикулярном к переходу. Поскольку заряд дырок противоположен заряду электронов, их потенци­альная энергия Wрд больше там, где меньше Wpэ, и на­оборот.

Равновесие между р- и п-областями является под­вижным. Некоторому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего через переход течет небольшой ток Iосн.

Этот ток компенсируется обусловленным неосновными носителями встречным током Iнеосн. Неосновных носителей очень мало, но они легко проникают через границу областей, «скатываясь» с потенциального барьера. Ве­личина Iнeocн определяется числом рождающихся еже­секундно неосновных носителей и от высоты потенциаль­ного барьера почти не зависит. Величина Iосн, напротив, сильно зависит от высоты барьера. Равновесие устанав­ливается как раз при такой высоте потенциального барьера, при которой оба тока Iосн и Iнеосн компенсируют друг друга. Подадим .на кристалл внешнее напряжение такого направления, чтобы «+» был подключен к р-области, а «—» был подключен к n-области) (такое напряжение называется прямым). Это приведет к возрастанию по­тенциала (т.е. увеличению Wрд и уменьшению Wpэ) р-области и понижению потенциала (т.е. уменьшению Wpд и увеличению Wpэ) n-области. В ре­зультате высота потенциального барьера уменьшится и ток Iосн возрастет. Ток же Iнеосн останется практически без изменений (он, как отмечалось, от высоты барьера почти не зависит). Следовательно, результирующий ток станет отличен от нуля. Понижение потенциального барьера пропорционально приложенному напряжению (оно равно eU). При уменьшении высоты барьера ток основных носителей, а следовательно и результирующий ток, быстро нарастает. Таким образом, в направлении от p-области к n-области р — n-переход пропускает ток, сила которого быстро нарастает при увеличении прило­женного напряжения. Это направление называется пря­мым (или пропускным, или проходным).

Возникающее в кристалле при прямом напряжении электрическое поле «поджимает» основные носители к границе между областями, вследствие чего ширина переходного слоя, обедненного носите­лями, сокращается. Соответствен­но уменьшается и сопротивление пе­рехода, причем тем сильнее, чем больше напряжение. Таким образом, вольт-амперная характеристика в пропускной области не является прямой (рис. 11).

Рис.11

Теперь приложим к кристаллу напряжение   такого направления

чтобы «+»'был подключен к n-области, а «—» был подключен к р-области (такое напряже­ние называется обратным). Обратное напряжение приво­дит к повышению потенциального барьера и соответствен­ному уменьшению тока основных носителей Iосн. Возникающий при этом результирующий ток (называемый обратным) довольно быстро достигает насыщения (т. е. перестает зависеть от U, рис. 11) и становится равным iнеосн. Таким образом, в направлении от n-области к р-области (которое называется обратным или запорным) р — n-переход пропускает слабый ток, целиком обусловленный неосновными носителями. Лишь при очень большом обратном напряжении сила-тока на­чинает резко возрастать, что обусловлено электрическим пробоем перехода. Каждый р—n-переход характери­зуется своим предельным значением обратного напряжения, которое он способен выдержать без разрушения. Поле, возникающее в кристалле при наложении обратного напряжения; «оттягивает» основные носители от границы между областями, что приводит к возрастаниюширины переходного слоя,обедненного носителями. Соответ­ственно увеличивается  и сопротивление перехода. Следо­вательно, р—n-переход обла­дает в обратном направлении гораздо большим сопротивле­нием, чем в прямом.

Из сказанного вытекает, что р — n-переход может быть

Рис.12

использован для выпрямления переменного тока. На рис. 12 показан график тока, текущего через переход, в том случае, если приложенное напряжение изменяется по гармоническому закону. В этом случае ширина слоя, обедненного носителями, и сопротивление перехода пульсируют, изменяясь в такт с изменениями напряжения.

Германиевые выпрямители могут выдерживать об­ратное напряжение до 1000 в. При напряжении в 1 в плот­ность тока в прямом направлении достигает 100 а/см2, в обратном—не больше нескольких микроампер. Еще более высокое обратное напряжение допускают крем­ниевые выпрямители. Они также выдерживают более высокую рабочую температуру (до 180° С вместо при­мерно 100° С для германия). Гораздо худшими парамет­рами обладают широко распространенные селеновые вы­прямители. Допустимое обратное напряжение составляет для них не более 50 в, наибольшая плотность прямого тока до 50 ма/см2. Соединяя последовательно N выпрямительных элементов (селеновых шайб), можно полу­чить выпрямитель, выдерживающий N-кратное обратное напряжение.  Полупроводниковый триод, или транзистор, представ­ляет собой кристалл с двумя р—n-переходами; В зави­симости от порядка, в котором чередуются области с разными типами проводимости, различают р—п—р- и n—p—га-транзисторы). Средняя часть транзистора

(обладающая в зависимости от типа транзистора n- или р-проводимостью) называется его ба­зой. Прилегающие к базе с обе­их сторон области с иным, чем у нее, типом проводимости обра­зуют эмиттер и коллeктор.

Рассмотрим   кратко   прин­цип работы транзистора типа

Рис.13

р—n—р (рис. 13). Для его из­готовления берут пластинку из очень чистого германия с электронной проводимостью и с обеих сторон вплав­ляют в нее индий. Концентрация носителей в эмиттере и коллекторе, т. е. в дырочной области, должна быть

Рис.14

больше, чем концентра­ция носителей в пределах базы, т. е. в электронной области. На рис. 14, а даны кривые потенциаль­ной энергии — электронов (сплошная линия) и ды­рок (пунктирная линия).

На переход эмиттер — база подается напряже­ние в проходном направ­лении (рис. 13), а на пеpеход   база — коллектор

подается большее напря­жение в запорном направлении. Это приводит к по­нижению потенциального барьера на первом переходе и повышению барьера на втором (рис. 14,6). Протека­ние тока в цепи эмиттера сопровождается проникнове­нием дырок в область базы (встречный поток электронов мал вследствие того, что их концентрация невелика). Проникнут в базу, дырки диффундируют по направлению к коллектору. Если толщина базы небольшая, почти   все дырки, не успев рекомбинировать, будут достигать коллектора. В нем они подхватываются полем и увеличивают ток, текущий в запорном направлении в цепи коллектора. Всякое изменение тока в цепи эмиттера приводит к изменению количества дырок, проникающих в коллектор и, следовательно, к почти такому же изменению тока в цепи коллектора.. Очевидно, что изменение тока в цепи коллектора не превосходит изменения тока в цепи эмиттера, так что, казалось бы, описанное устройство бесполезно. Однако надо учесть, что переход имеет в запорном направлении гораздо большее сопротивление, чем в проходном. Поэтому при одинаковых изменениях токов изменения напряжения в цепи коллектора будут во много раз больше, чем в цепи эмиттера. Следовательно, транзистор усиливает напряжения и мощности. Снимаемая с прибора повышенная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь

Германиевые транзисторы дают усиление (по напряжению и по мощности), достигающее 10000.        

Страницы: 1, 2

Голосование

Как вы оцениваете работу нашего сайта? Отлично Хорошо Нормально Плохо Результаты