С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 100
Текст из файла (страница 100)
Для увеличения ЭДС термоэлементы соединяют последовательно в термобатареи, как показано на рис. 347. При этом все четные спаи поддерживают при одной температуре, а все нечет- 474 элвктгичгскив явлкния В кОнтАктАх Гл х!х тов зависит от приложенного напряжения, а при одном и том же его значении может сильно изменяться при перемене направления тока. Электронные процессы в контактах полупроводник-металл отличаются от процессов в контактах двух полупроводников.
Мы, однако, ограничимся рассмотрением только контактов двух полупроводников, которые находят особенно важные технические применения. В З 152 мы видели, что по характеру своей проводимости полупроводники могут быть электронными (п-тип) и дырочными (р-тип). В полупроводниках и-типа основными подвижными носителями заряда являются отрицательные электроны, а в полупроводниках р-типа — положительные дырки. В случае контакта двух полупроводников электроны и дырки получают возможность переходить из одного полупроводника в другой, и поэтому между полупроводниками, так же как и между металлами, возникает контактная разность потенциалов, а в тонком пограничном слое появляется контактное электрическое поле.
Если в контакте находятся два полупроводника одного и того же типа (оба электронные или оба дырочные), то оба полупроводника обмениваются одинаковыми частицами: либо электронами, либо дырками, и явления в этом случае имеют большое сходство с явлениями в двух соприкасающихся металлах. Поэтому мы остановимся только па том случае, когда один из полупроводников имеет электронную проводимость (п-тип), а другой — дырочную (р-тип). Такие контакты называют электронно-дырочпыми переходами или р — п-переходами.
Отметим, что такой контакт в чистом виде нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника, так как вследствие шероховатости поверхности соприкосновение будет происходить лишь в немногих точках; между ними будут воздушные зазоры, в которых образуются пленки окислов, и контакт будет иметь сложное строение. Поэтому для получения р — п-перехода обычно в пластинку чистого полупроводника (например, германия или кремния) вводят две примеси — одну донорную (т.е.
сообщающую электронную проводимость), а другую акцепторную (сообщающую дырочную проводимость), и распределяют их таким образом, чтобы в одном конце имелся избыток одной из примесей, а в другом конце — избыток другой. Тогда в одной половине пластинки возникает электронная проводимость, а в другой — дырочная, причем между обеими областями будет расположен тонкий переходный слой, в котором обе примеси компенсируют друг друга. Рассмотрим сначала р — и-переход в отсутствие тока.
Вследствие теплового движения электроны из и-области будут переходить в р-область (и там рекомбинировать с дырками), а дырки 475 Р-К ПВРЕХОДЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ 4 гОЗ из р-области -- в и-область (и рекомбинировать с электронами). Поэтому в п-области, вблизи границы раздела, появится положительный объемный заряд, а в р-области — отрицатечьный объемный заряд; и-область приобретет положительный потенциал и энергия электрона в ней станет меньше (так как заряд электрона отрицателен), а потенциал р-области сделается отрицательным и энергия электрона в ней увеличится.
Кривая рас- пРеделепиЯ потенциальной энеРгии электРонов Идо бУдег иметь вид, показанный на рис. 348 а сплошной кривой. Напротив, энергия положительных дырок И'л будет больше в п-области и меньше в р-области (штриховая кривая). 1н 6д ~он Од н ~н 6~ Ы ~н -н ~о ~н — н 1 ~о 1н р, ~=~о-~о=в и в' д ~~1 д' ° ° ° ~ т~фЩЯ И~д яо ° ° о~ "~ЯЯЯ) Рис. 348. Электрический ток н р — и-переходе В состоянии равновесия полный ток через контакт равен нулю. Этот ток в отличие от металлов, где носителями заряда являются только электроны, складывается как из движения электронов, так и из движения дырок.
Остановимся на этом вопросе подробнее. Прежде всего напомним, что в любом полупроводнике, помимо основных носителей заряда (представленных в большинстве), всегда имеется еще и некоторое число неосповных носителей заряда (ср. Э 152). Поэтому в электронном полупроводнике наряду с электронами проводимости (основные носители заряда) имеется еще небольшое число дырок (неосновные носители заряда), а в дырочном полупроводнике, кроме дырок, еще и некоторое число электронов.
Чисно неосповных носителей обычно мало по сравнению с числом основных, Обратимся опять к рис. 348. Мы видим, что контактное поле способствует движению неоспавных носителей, которые «скатываются» с потенциального уступа. Поэтому все неосновные носители, генерируемые в приконтактпой области, движутся через ЭЛЕКТРИЧЕОКИЕЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ Гл хгх р — и-переход и образуют некоторый ток силы г„, направленный от п к р. Сила этого тока практически не зависит от разности потенциалов между и- и р-полупроводниками и определяется только числом неосновных носителей, образующихся в приконтактной области в единицу времени. Основные же носители (дырки, движущиеся справа налево, и электроны, движущиеся слева направо) образуют ток г',>, направленный противоположно, т.е.
От р к и. Из рис. 348а видно, что контактное поле препятствует движению основных носителей, которые должны преодолевать потенциальный барьер. В состоянии равновесия устанавливается такая высота потенциального барьера, при которой полный ток г — го ге — О Посмотрим теперь, что будет происходить при наличии тока через контакт. Предположим, что мы прило>кили к контакту напряжение такого знака, что па п-области имеется отрицательный потенциал и на р-области — положительный (рис. 348 б). Тогда энергия электронов в и-области увеличится, а в р-области уменьшится, а, следовательно, высота потегщиального барьера станет меныпе.
При этом ток неосновных носителей г„, как говорилось выше, не изменится, Ток же основных носителей г, увеличится, так как теперь больше электронов сможет преодолеть потенциальный барьер и перейти слева направо и болыпе дырок — перейти в противоположном направлении.
В результате через контакт будет идти ток г = ге — г„, направленный от р к и; сила тока будет быстро нарастать с увеличением приложенного напряжения. Иное будет происходить, если к п-области присоединен положительный полюс источника тока, а к р-области — отрицательный (рис. 348 в). В этом случае высота потенциального барьера увеличится и ток основных носителей г, уменьшится. Уже при напряжениях порядка 1 В этот ток практически будет равен ну1и лю, и поэтому через коне г> такт будет течь только ток неосновных носителей, г>о который весьма мал.
Рис 349. Вольт-ампериая характерис- В силу изложенного тика р — и-перехода вольт-амперная характери- стика р — и-перехода имеет вид, изображенный на рис. 349. Когда ток направлен от рк п-области, сила тока велика и быстро увеличивается с на- 477 ! 20З Р-Гг ПВРВХОДЫ В ПОЛУПРОВОДНИКаХ 0,5 пряжением, а, следовательно, контакт для этого направления тока (проходное направление тока) имеет малое сопротивление, Если же ток направлен от и- к р-области, сила тока весьма мала и почти не зависит от напряжения (ток насыщения). Для этого направления тока (запорное направление) контакт имеет большое сопротивление. Таким образом, р — и-переход обладает односторонней проводимостью, или вентильным свойством, и имеет нелинейную вольт-амперную характеристику.
При включении в цепь переменного тока такие контакты действуют как выпрямители. Такие вольт-амперные характеристики наблюдаются и в некоторых контактах полупроводников с металлами. Когда приложенное обратное напряжение становится достаточно большим, в контакте происходит ряд дополнительных явлений, вызванных разогреванием контакта и действием сильного электрического поля в переходном слое. Это приводит к быстрому увеличению обратных токов, разрушающих выпрямляющий переход (епробой»). Из сказанного следует, что электрический ток в контактах принципиально не отличается от электронной эмиссии (гл. ХЪ').
Различие заключается в том, что при обычной эмиссии электроны выходят из металла в вакуум, в случае же контактов электроны (и дырки) переходят из одного проводника в другой. Так как высота потенциального барьера в контакте значительно меньше высоты барьера на границе полупроводник — вакуум, то сильная эмиссия наблюдается уже при комнатных температурах. Прикладывая к контакту разность потенциа- 0 и А лов, мы изменяем высоту 2 потенциального барьера и этим управляем силой тока 1,5 эмиссии. Если изготовить электронно-дырочный переход из кристалла полупроводника, например германия, содержащего очень большое число доноров или акцепторов ( 1!)24 м — 3 и вьгше),го 0 О,1 0,2 0,3 0,4 с1,В в таком сильно легирован- Рис. 350 Вольт-амперная характерис- тика очень тонкого электронно-дыроч- перехода становится очень ного перехода (туннельного диода) малой (- 10 з м). При этом возникают новые явления и начальная часть прямой ветви вольт-амперной характеристики приобретает вид, показанный на рис.
350. В некоторой области напряжений характеристика 478 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ Гл х!х становится падающей, т.е. сила тока уменьшается при увеличении напряжения. Такая необычная зависимость силы тока от напряжения хорошо объясняется современной квантовой теорией твердого тела и связана, с одной стороны, с особенностями энергетического спектра электронов в кристаллах, а с другой— с существованием так называемого кваитовомеханического туннельного эффекта.
3 204. Полупроводниковые диоды Одностороннюю проводимость контактов двух полупроводников (илн полупроводников с металлами) используют для устройства полупроводниковых Выл-бе прямителей, предназначенных для !и выпрямления и преобразования переменных токов. На рис. 351 показано устройство >! одного из типов германиевого выпрямителя. Он состоит из пластинки германия с электронной проводимостью, в которую с одной стороны вварен шарик индия, сообщающего германию дырочную проводимость, а с другой — шарик олова. При пагреРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
