С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 101
Текст из файла (страница 101)
35! Схема германиееовании В процессе сварки индий диффундирует в германий на некоторую глубину, так что вблизи индиевого электрода возникает дырочная проводимость, а на некоторой глубине образуется выпрямляющий р — и-переход. Оловянный электрод служит только для включения выпрямителя в цепь тока. Для предохранения от внешних влияний Выпрямитель заключают В герметический патрон или запрессовывают в подходящее изолирующее вещество (на рисунке не показано). Подобные выпрямители прн площади контакта около 1 мм и напряжении +1 В дают проходные токи больше 1 А, а обратные токи обычно не превышают нескольких микроампер.
При площади контакта в несколько квадратных сантиметров германиевые и кремниевые выпрямители способны пропускать токи в несколько сотен ампер, хотя нх размеры настолько малы, что они легко умещаются на ладони руки. Их пробойные напряжения могут дости>ать многих сотен н даже нескольких тысяч вольт. На рис. 352 изображено устройство широко распространенного селенового выпрямителя. Основным выпрямляющим элементом в нем является селеновая шайба. Она состоит из железного никелированного диска, на который нанесен тонкий слой полупроводни- НЕРАВИОВГОНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ 479 1 200 ка — селена. Селен покрыт вторым металлическим электродом, состав которого различен (например, сплав В1 — Сс)-Яп).
В результате специальной термической и электрической обработки в селене вблизи поверхности второго электрода образуется запирающий слой (р — ппереход), возникающий вследствие диффузии вещества электродов в селен. Так как селен обладает дырочной проводимостью, то проходное направление тока есть направление от селена к вентильному электроду. Отдельные шайбы соединяются в выпрямителе последовательно.
С селеновых выпрямителей снимают прямые токи 30 — 50 мА на 1 см2 поверхности, а допустимые обратные напряжения равны 25-50 В на каждую шайбу. Рис. 302. Селеновая шайба: З вЂ” железная шайба, Я вЂ” слой никеля (контактный переход), й — слой селена, е - - слой сплава В1-Сс) — Ял (вентильный электрод), б — запирающий слой, возникающий на границе вентильного электрода и селена Полупроводниковые выпрямители применяются в радиотехнике для выпрямленна и преобразования электрических колебаний высокой частоты (кристаллические детекторы).
Опи имеют кристаллик кремния или германия, к которому прижимается тонкое металлическое острие (диаметром в несколько микрон). Такие детекторы позволяют выпрямлять быстропеременные токи, частота которых превышает 10" периодов в секунду, что невозможно сделать с помощью электронных ламп. Очень тонкие р — и-переходы используют для устройства туннельных диодов, вольт-амперная характеристика которых уже была приведена на рис. 350. Такие диоды могут служить в качестве элементов с отрицательным дифференциальным сопротивлением для усиления и генерации электрических колебаний (см. 2 213). Их применяют также и как быстродействующие переключатели.
9 205. Неравновесные электроны и дырки в полупроводниках Рассмотрим опять контакт двух полупроводников р- и и-типа и предположим, что через него идет ток в проходном направлении (рис. 353). Дырки в р-области движутся к р — о-переходу и, 480 гл х~х ЭЛЕКТРИЧВСКИВЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ проходя через него, вступают в п-область в качестве неосновных носителей заряда, где и рекомбипируют с электронами. То же относится и к электронам в п-области, которые, переходя границу раздела, попадают в О+ ° ° — р-область и рекомбини- ~~ ' О+д+® ' О+ ' О+ руют с дырками.
Однако ° (+Я в эта рекомбинация про- О +, в + ° ° ° Ф исходит не мгновенно, и поэтому в и-области окажется избыточная концентрация дырок пд, а в р-области — избыточная концентрация электронов «и. При этом избыточные дырки в и-области будут притя- гивать к себе электроны, Рис. 353. Иижекция электроиов и дырок в так что увеличится и концентрация электронов; объемный заряд, как и в отсутствие тока, не образуется.
То же будет происходить и в р-области, где увеличение концентрации электронов повлечет за собой увеличение концентрации дырок. Таким образом, при наличии электрического тока через р — и-переход состояние электронов и дырок в полупроводнике становится неравновесным. Их концентрация делается больше ее равновесного значения, происходит как бы «впрыскивание» дырок в и-область и электронов в р-область. Описанное явление получило название пмжекции электронов и дырок.
Отметим, что нарушение равновесного состояния электронов и дырок можно также получить под действием освещения полупроводника, даже если последний и однороден. В этом случае изменение концентрации электронов и дырок приводит к изменению электропроводности полупроводника под действием света (явление дютопроводимости). По мере движения избыточные дырки и электроны будут рекомбинировать и их концентрация будет уменьшаться. Поэтому распределение концентраций избыточных электронов и дырок в кристалле существенно зависит от скорости их рекомбинации. Остановимся на этом вопросе подробнее.
Положим, что в полупроводнике каким-либо способом (инжекцией, освещением или другим способом) была создана концентрация избыточных электронов и дырок, одинаковая во всех местах кристалла, и что эти избыточные носители заряда ис- 1 200 НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ 481 чезают вследствие рекомбинации. Уменьшение концентрации электронов или дырок — Йп за время й пропорционально их избыточной концентрации и и времени: — дп = т 1пй. Здесь т ' — коэффициент пропорциональности, определяющий вероятность рекомбинации, а величина т получила название среднего времени жизно избыточных (или неравновесных) носителей заряда. Она зависит от рода и качества материала, от его состояния и от содержащихся в пем примесей.
Интегрируя написанное уравнение, находим и = п(0) ехр (--), где п(0) — начальная концентрация избыточных носителей. Отсюда видно, что т есть время, через которое концентрация неравновесных носителей вследствие рекомбинации уменьшается в е = 2,71 раза. Пользуясь понятием времени жизни, мы можем сейчас вернуться к распределению электронов и дырок в пространстве рис. 353). Для этого рассмотрим в правой части кристалла и-области) бесконечно тонкий слой, ограниченный плоскостями, параллельными р — и-переходу и удаленными от него на расстояния х и я+дя.
При малом приложенном напряжении током дрейфа в электрическом поле вблизи перехода можно пренебречь по сравнению с током диффузии. Через каждую единицу поверхности плоскости х в единицу времени вследствие диффузии внутрь слоя будет входить число дырок — Юд дпд/дх(г, где Вд — коэффициент диффузии дырок в и-области. Через плоскость я+ дх будет выходить из слоя число дырок 22 лд л Ег ~ г+Ег ~г Поэтому полное приращение числа дырок в единицу времени вследствие диффузии, отнесенное к единице объема, равно +Пддзпд/дх2. Кроме того, внутри слоя будет происходить уменьшение числа дырок вследствие рекомбинации. Согласно сказанному выше число исчезающих дырок в единицу времени, также отнесенное к единице объема, есть и /т, В стационарном состоянии число поступающих дырок вследствие диффузии должно быть равно числу дырок, исчезающих вследствие рекомбинации. Поэтому для определения пространственного распределения концентрации избыточных дырок (и равной ей концентрации избыточных электронов) в и-области мы получаем уравнение е2 ' — ":-3=0 482 Гл х1х электвическиь яВления В коптАктАх где введено обозначение идее ~7Ъдтд.
ГРаничные УсловиЯ задачи имеют следующий вид. При х = 0 пд — — пдо, где идо — концентрация избыточных дырок на границе и-области. Кроме того, при х -+ оо ид -+ О, так как на достаточно большом расстоянии от перехода все избыточные дырки успевают рекомбинировать с электронами. Решение написанного уравнения, удовлетворяющее граничным условиям, имеет вид п = пдо ехр ~-— д Оно показывает, что концентрация инжектированных дырок уменьшается с увеличением расстояния от перехода по экспоненцизльному закону. Введенная вами характеристическая длина Хд есть расстояние, на котором концентрация избыточных дырок уменьшается в е =- 2,71 раза.
Величина 7д носит название длины диф~~зионного смещения или, короче, длины диффузии дырок. Совершенно аналогично концентрация инжектированных электронов в р-области будет тоже уменьшаться по экспоненциальному закону,но будет определяться длиной диффузии электронов Ь,: — Кй,тм где Ю, — коэффициент диффузии электронов, а т, — время жизни электронов в р-области. Значения Ь и т в различных полупроводниках изменяются в очень широких пределах.
Укажем для примера, что в очень чистом гермэлии при комнатных температурах т может составляз ь около 1 с, что соответствует длине диффузии Ь в несколько сантиметров. При наличии примесей (или иных структурных дефектов) т и Ь могут уменьшаться на много порядков. й 206. Полупроводниковые усилители С помощью полупроводников можно производить не только выпрямление, но и усиление электрических колебаний (а значит, и генерацию колебаний, если в схему ввести обратную связь). Употребляемые для этого полупроводниковые приборы имеют не два электрода (как в выпрямителях), а три (и больше) и действуют подобно вакуумным электронным лампам с сетками. Они получили общее название транзисторов. Для разъяснения принципа усиления электрических сигналов с помощью полупроводников мы рассмотрим только один из типов транзисторов, так называемый бнполлрнмй диффузпанный ~ириод р — и — р-типа, схематически изображенный на рис.
354 а. Он представляет собой кристалл полупроводника (обычно германия или кремния), в котором при помощи соответствующего распределения двух примесей созданы три области с ~ 200 поллчп оводниковык лсилитвли чередующимися типами проводимости; дырочной — электроннойдырочной, между которыми находятся два р — гл-перехода. На эти области нанесены металлические электроды, с помощью которых триод включают в схему.
Одна из возможных схем включения показана на рис. 354 а. Как видно из рисунка, один из р — и-переходов (левый), рассматриваемый квк выпрямитель, работает в проходном направлении, тогда как другой переход (правый) — в запорном. Оконечная часть кристалла, прилегающая к первому из переходов, получила название эмиштера, а вторая, оконечная часть — коллектора. Промежуточная область называется основанием или базой триода Ее ширина всегда мала по сравнению с длиной диффузии неосновных носителей заряда и измеряется де- д и р сятками (или даже единица- а мн) микрометров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
