Фейнман - 09. Квантовая механика II (1055675), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Этот ток тоже пропорционален плотности положительных носителей в и-области„но здесь плотность носителей намного ниже плотности в р-области. Когда положительные носители приближаются из и-области к переходу, они обнаруживают перед собой холм с отрицательным склоном и сходу соскальзывают под гору, на р-сторону перехода. Обозначим этот ток 1„. В условиях равновесия токи в обе стороны одинаковы. Значит, можно ожидать, что будет выполняться следующее соотношение: 1» Л" (и-область) =Л' (р-область) е-гш"т. (12.12) Вы замечаете, что оно на самом деле совпадает с (12.10).
Мы просто вывели его другим способом. Допустим, однако, что мы снизили напряжение на и-стороне перехода на величину ЛР— это можно сделать, приложив к переходу внешнюю разность потенциалов. Теперь разница в потенциалах по обе стороны потенциального холма уже не Г, а Р— Л)е. У тока положительных носителей из р-области в и-область теперь в показателе экспоненты будет стоять именно эта разность потенциалов. Обозначая этот ток через 1д, имеем 1, Лд„(р-область) е-е,<~-ьеп"г. Этот ток превосходит ток 1, в е — чью"т раз.
Значит, между 1, и 1, существует следующая связь: 1 1 е~еьт кт о Ток из р-области при приложении внешнего напряжения ЛГ растет по экспоненте. А ток положительных носителей из и-области остается постоянным, пока ЛР не слишком велико. Достигая барьера, эти носители по-прежнему будут видеть перед собой идущий под гору потенциал и будут все скатываться в р-область.
(Если Л(г больше естественной разности потенциалов Р, положение может измениться, но что случается при таких высоких напряжениях, мы рассматривать не будем.) В итоге ток положительных носителей Х, текущий череа переход, будет определяться разницей токов в обе стороны: Х =Хо (е;оа1тнт 1) Дырочный ток Х течет в и-область. Там дырки диффунднруют в самую глубь п-области и могут, вообще говоря, аннигнлнровать на основной массе отрицательных носителей электронов.
Убыль электронов, теряемых при этой аннигиляции, восполняется током электронов из внешнего контакта материала п-типа. Когда Лу' = О, то и ток в (12.14) равен нулю. Если Л(г положительна, ток с напряжением резко растет, а если ЛЕ отрицательна, знак тока меняется, но экспоненциальный член вскоре становится пренебрежимо малым, и отрицательный ток никогда не превышает Х, — величины, которая, по нашему предположению, очень мала. Втот обратный ток Х, ограничен той слабой плотностью, которой обладают неосновные носители в п-области перехода.
Если вы проведете в точности тот же анализ для тока отрицательных носителей, текущего через переход, сперва без внешней разности потенциалов, а после с небольшой приложенной извне разностью потенциалов Л)с, то для суммарного электронного тока вы опять получите уравнение, похожее на l (12.14). Поскольку полный ток есть сумма токов носителей обоего рода, то (12.14) применимо и к полному току, если только отождествить Х, с максимальным током, который метнет течь при перемене знака напряжения. аг и г.
Г2,10. Заеисимость тока через переход от приложенного к нему напряжения. Вольтамперная характеристика (12.14) показана на фиг. 12.10. Она демонстрирует нам типичное поведение кристаллических диодов, подобных тем, которые применяются в современных вычислительных машинах. Нужно только заметить, что (12.11) справедливо лишь при невысоких напряжениях, При напряя<еннях, сравнимых с естественной внутренней разностью потенциалов )с (или превьппаюьцих ое), в игру входят новые явления и ток уже не подчиняется столь простому уравнению.
Высь моя'ет, вы вспомните, что в точности такое же уравнение мы получили, говоря о «механическом выпрямителе»вЂ” храповике и собачке [см. гл. 46 (вып. 4)). Мы получали те же уравнения, потому что лежащие в их основе физические процессы весьма схожи. ф б. Х1спмнгсс11еор Пожалуй, самым ва иным применением полупроводников является изобретение транзистора.
Состоит он из двух полупроводниковых переходов, расположенных вплотную друг к другу, и работа его частично опирается на те жо принципы, которые мы только что описывали, говоря о полупроводниковом диоде — выпрямляющем переходе. Предположим, что мы изготовили из германия неболыпой брусочек, составленный из трех участков: р-область, и-область и опять р-область (фиг. 12.11,а). Такое сочетание именуется р — и — р-транзистором.
Ведут себя зги переходы в транзисторе примерно так же, как описывалось в предыдущем параграфа. В частности, в каждом переходе должен наблюдаться перепад потенциала — падение потенциала из п-области в каждую из р-областей. Коли внутренние свойства обеих р-областей одинаковы, то потенциал вдоль брусочка меняется так, как показано на фиг. 12.11,б. Теперь представьте себе, что каждая из трех областей подключена к источнику внешнего напряжения (фиг. 12,12,а). Будем относить все напряжения к контакту, присоединенному а У~ св и е, 1л.11. Распределение потенциала вдоль транеистора, если не прилопсено напрненессие. ! 1 Зг и е. 1212.
Распределение потснюгало е радототгчелг транзисторе. ге (О д к левой р-области, так что на этом контакте потенцкал будет равен нулю. Этот контакт мы назовем элишшером; и-область называется базой, или основанием, к ней подведен слабый отрицательный потенциал; правая р-область называется колгекигором, к ней подведен намного больший отрицательный потенциал. В таких условиях потенциал будет меняться вдоль кристалла так, как показано на фиг. 12.12,б. Посмотрим сначала, чтб происходит с положительными носителями, потому что именно их поведение в первую очередь управляет работой р — и — р-транзистора.
Раз потенциал эмиттера более положителен, нежели потенциал базы, то из эмиттера в базу пойдет ток положительных носителей. Ток этот довольно велик, потому что перед нами переход, работающий при «подталкивающем напряжении» (что отвечает правой половине кривой на фиг. 12.10). При таких условиях положительные носители, или дырки, будут «эмиттироваться» из р-области з и-область. Может показаться, что этот ток вытечет из и-области через контакт Б. Но здесь-то и таится секрет транзистора. Эта и-область делается очень узкой, толщиной обычно в 10 ' сзг, а то и уже, намного уже, чем ее поперечные размеры. Следовательно, у дырок, попавших в и-область, имеется очень большой шанс успеть продиффундировать через всю область до следующего перехода, прежде чем они аннигилируют с электронамн и-области.
А когда они подойдут к правой границе и-области, они обнаружат перед собой крутой спуск с потенциального холма и сходу ссыплются в правую р-область. Эта сторона кристалла называется коллекигором, потому что он собирает дырки после того, как они проскользнут через и-область. В типичном транзисторе почти весь дырочный ток, вышедший из эмиттера и попавший на базу, собирается в области коллектора, и только жалкие остатки (доли процента) включаются в суммарный ток с электрода базы.
Сумма токов из базы и коллектора, естественно, равна току через эмиттер. Теперь представим себе, что получится, если мы будем слегка менять потенциал г'в контакта. Поскольку мы находимся на сравнительно крутой части кривой фиг. 12.10, легкие изменения потенциала Гв довольно значительно отразятся на токе эмиттера Хэ. А напряжение на коллекторе )гк намного более отрицательно, чем напряжение па электроде базы, и эти слабые изменения потенциала не скажутся заметно на крутом потенциальном холме между базой и коллектором. Большинство положительных носителей, испущенных в п-область, по-прежнему будут попадать в коллектор.
Итак, изменениям потенциала электрода бааы будут отвечать изменения тока через коллектор Хк. Существенно, однако, что ток через базу Хв все время будет составлять лишь небольшую часть тока через коллектор. Транзистор — это усилитель; небольшой ток Хв, проходящий через электрод базы, приведет к сильному току (раэ в 100 сильней, а то и больше) через коллектарный электрод. Л как я~е обстоит дело с электронами — с отрицательными носителями, которыми мы до сих пор пренебрегалиг Заметьте, во-первых, что между базой и коллектором мы не ожидаем сколько-ниоудь заметного тока электронов.
При столь большом отрицательном напряжении на коллекторе электронам из базы пришлось оы карабкаться на очень высокий потенциальный холм,и вероятность этого очень мала. Ток электронов на коллектор очень слаб. Но, с другой стороны, электроны с базы могут переходить в область эмиттера. Можно ожидать, что электронный ток в этом направлении будет сравним с дырочным током от эмиттера к базе. Такой электронный ток пользы не приносит, даже наоборот, потому что он увеличивает полный ток через базу, нужный для того, чтобы ток дырок к коллектору имел данную величину.
Поэтому транзистор устраивается так, чтобы ток электронов к эмиттеру свести до самой малости. Злектронный ток пропорционален Х„(базы) — плотности отрицательных носителей в веществе базы, тогда как дырочный ток от эмиттера зависит от Х (змиттера) — плотности положительных носителей Р в области эмиттера.
Сравнительно небольшим добавлением примеси в материал в-типа Х, (базы) может быть сделано много меньше, чем АГ (эмиттера). (Кроме того, сильно помогает очень малая толщина базы, потому что выметание дырок из этой области в коллектор заметно увеличивает средний дырочный ток от эмиттера к базе, не затрагивая электронного тока.) В итоге ток электронов через переход эмиттер — база может быть сделан много слабее тока дырок, так что электроны в работе р — п — р-транзистора заметной роли не играют. Токи в основном определяются движением дырок, и транзистор играет роль усилителя. Можно также сделать транзистор, поменяв на фиг. 12.11 местами материалы р-типа н и-типа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
