Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 37
Текст из файла (страница 37)
рис. 4.26 и 4.30). Выпрнмленне тока н детектирование сигналов. Для этих целей используют устройство, называемое полупроводниковым диодом, главная часть которого р — п-переход (рис. 4.32). Если на вход подать синусоидальный сигнал, то диод пропустит только положительные полуволны синусоиды. На выходе сигнал будет иметь вид, как на рис. 4.32. Чтобы получить огибающую сигнала, используют дополнительный конденсатор С, который при зарядке ! з ) / Рис. 4.32. Схема включения р-и-перехода лля выпрямленна и детектирования токов и сигналов 233 и разрядке сгладит острые полуволны. По такой схеме работают простейшие выпрямители напряжения — устройства, преобразующие переменный ток в постоянный, и детекторы радиосигналов— устройства, позволяющие выделить огибающую высокочастотного сигнала, несущую полезную информацию.
Конденсаторы переменной емкости. Приведенная на рис. 4.28 схема распределения заряда в области р-и-перехода аналогична схеме распределения заряда в плоском конденсаторе. Роль расстояния между пластинами конденсатора играет толщина запорного слоя, которая зависит от приложенного напряжения. Эту особенность р — н-перехода используют в так называемых варикапах— конденсаторах переменной емкости, используемых в радиотехнике. Емкость такого конденсатора изменяется в широких пределах под воздействием внешнего напряжения.
Стабилизаторы напряжении. Явление пробоя р — и-перехода используют для стабилизации напряжения. Для этого к источнику нестабильного напряжения У,„подключают цепь, состоящую из резистора и стибилитрона — р — п-перехода, рассчитанного на заданное напряжение пробоя и включенного в обратном направлении (рис. 4.33). Если напряжение на стабилитроне превышает критическое значение У,, то стабилитрон приоткрывается, ток, протекающий через него и через резистор й, увеличивается, следовательно, падение напряжения на резисторе возрастет, а на стабилизаторе — снизится.
В силу этого напряжение на стабилитроне не сможет превысить критическое напряжение пробоя. При этом нестабильное напряжение на входе будет равно сумме нестабильного напряжения на резисторе и стабильного напряжения на стабилитроне и нагрузке. Стабилитроны на основе р-и-перехода изготавливаются промышленностью для разных значений напряжения стабилизации (пробоя). Рис. 4.33. Схема включения р — н-перехода для стабилизации напряжения 234 Зона проводимости Запрещенная зона Валснгная зона Зона проводимости лг~,,г О л нл Запрещенная зона Нсзаполнснныс уровни Валентная зона Рис.
4.34. Схема работы светоиспускающего (а) н лазерного (б) диодов 235 Светоиспускающие диоды. Принцип работы светоиспускаюи)их диодов — устройств, преобразующих энергию электрического тока в световую энергию, можно понять, рассмотрев изображенную на рис. 4.3! и 4.34 схему включения р — и-перехода в прямом направлении. На границе раздела областей дырки, поступающие из р-области, рекомбинируют с электронами, поступающими из н-области. При этом фактически происходит переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, что сопровождается испусканием кванта электромагнитного излучения. Можно так подобрать ширину зон в полупроводнике, что будут испускаться кванты электромагнитного излучения требуемой частоты— от инфракрасного до фиолетового светового излучения.
Светоиспускаюшие диоды обладают очень высоким КПД, достигающим 80 %; КПД лучших ламп накаливания на порядок ниже. Действительно, в удачно сконструированном свстоиспускающем диоде каждый электрон, который создает ток, протекающий через диод, обязан рекомбинировать с дыркой с испусканием кванта излучения. В таком случае незначительные потери связаны с теплотой, выделяющейся в материале диода, и с поглощением испущенных квантов излучения. Светоиспускающие диоды очень долговечны, поскольку не содержат нитей накаливания, катодов и других быстро изнашиваемых узлов как лампы накаливания или газоразрядные лампы. Светоиспускающие диоды широко используют как миниатюрные экономичные источники света, излучающие в заданном частотном диапазоне, как заменитель сигнальных лампочек, а в последнее время и как экономичные осветительные приборы и системы накачки лазеров.
Лазерные светоиспускающие диоды. Принцип работы лазерных светоиспуекаюи!их диодов аналогичен принципу работы свето- испускающих диодов. Однако имеются некоторые отличия, которые заключаются в том, что в таких диодах необходимо создать инверсную заселенность (много электронов в возбужденном состоянии и мало — в основном). Это удобно сделать в области р-п-перехода, если в качестве материала и- и р-областей использовать вырожденные полупроводники (см.
4.4), в которых обеспечивается очень высокая концентрация основных носителей. Очень высокая концентрация электронов проводимости (они соответствуют возбужденному уровню лазера) обеспечивается их поступлением из и-области (см. рис. 4.34, б). Большая концентрация дырок, поступающих из робласти, соответствует малому количеству электронов в основном состоянии р-и-перехода (Мгн), используемого в лазере. В таком случае можно обеспечивать условие инверсной заселенности (много электронов (Мзн) в возбужденном состоянии и мало (Мгн) — в основном) в области р-и-перехода.
В качестве зеркал лазерного резонатора используют отполированные торцы самого полупроводникового кристалла; одно из них делают частично прозрачным (нижнее на рис. 4.34, б) для выхода излучения из резонатора. Лазерные диоды — миниатюрны, экономичны, имеют размеры менее ! см, обеспечивают сильный световой поток, достаточный для оплавления полимерных пленок при записи информации.
Их используют в оптических устройствах записи и чтения информации, лазерных принтерах, системах передачи информации по стекловолоконным кабелям и т.д. Источники тока нар — и-переходе. В настоящее время широко применяются источники тока на р — и-переходе как генераторы электрического тока, в которых источником энергии служит: !) энергия падающего на р — и-переход электромагнитного излучения — так называемые полупроводниковые солнечные элементы; 2) тепловая энергия, подводимая к р — п-переходу, — так называемые полупроводниковые тепловые элементы. Полупроводниковые солнечные элементы.
Принцип работы полупроводниковых солнечных элементов ясен из схемы, изобра- 236 женной на рис. 4.35. На ней изображен р — л-переход, в котором формируется электрическое поле и происходит распределение энергии электронов и дырок, которые и используются для выработки тока. Поглощенный в области р — л-перехода квант создаст пару электрон — дырка, электрическое поле переместит дырку в р-область, а электрон — в л-область.
Тогда при облучении р-пперехода потоком квантов будут накапливаться дырки в р-области, а электроны — в п-области. Если теперь соединить точки 1 и 2, то потечет ток, который может быть использован. Полупроводниковые солнечные элементы обычно получают в виде пластины полупроводника р-типа, на которую нанесен тонкий прозрачный слой металла; его можно считать полупроводником п-типа. Затем на слой металла наносят прозрачные защитные покрытия.
Световые кванты, пройдя эти покрытия и тонкий слой металла, поглощаются в области р — и-перехода. Ток «отводят» от полупроводниковой пластины и от тонкого металлического покрытия. Такой элемент обеспечивает напряжение порядка долей вольта и ток — порядка нескольких миллиампер. Обычно элементы собирают в батарею (солнечная батарея), используя их последовательное и параллельное соединение. 1 1 1 1 3 О Рис. 4.35. Принцип работы полупроводникового солнечного элемента 237 Полупроводниковые тепловые элементы. Принцип работы полупроводниковых тепловых элементов аналогичен работе полупроводниковых солнечных элементов с тем отличием, что в области р-н-перехода пары электрон — дырка образуются за счет его нагрева.
Полупроводниковые тепловые элементы обычно соединяют последовательно в батареи (см. рис. 4.36). Зарождение пар электрон — дырка сопровождается поглощением теплоты, поэтому необходим нагрев области р — и-перехода. Рекомбинация пар электрон — дырка сопровождается выделением теплоты, поэтому требуется теплоотвод. При этом р-п-переходы, нагреваемые каким-либо источником теплоты, оказываются с одной стороны конструкции, а р-н-переходы, охлаждаемые водой или потоком воздуха, — с другой. Полупроводниковые охладители. Схема работы полупроводниковых охладителей — устройств, при пропускании тока через которые происходит охлаждение одной стороны устройства и нагрев другой, изображена на рис. 4.37.
Области р- и п-типов соединяют в цепочку, по которой пропускают ток. В стыках областей с четными номерами происходит рекомбинация электронов и дырок, при которой выделяется энергия, а в стыках областей с нечетными номерами происходит образование пар электрон — дырка, при котором поглощается энергия. Зарождение пар электрон — дырка сопровождается поглощением теплоты, вследствие чего происходит охлаждение верхних областей р — л-переходов и соединенной с ними диэлектрической пластины. Рекомбинация пар электрон — дырка сопровождается выделением теплоты, которую отводят от нижних Подвод теплоты Отвод теплоты Рнс. 4.36. Соединение областей контакта полупроводников в батарею тепловых элементов 238 Поглощение теплоты Выделение теплоты Рис. 4.37.
Соединение областей контакта полупроводников в охладителе областей р — и-переходов и соединенной с ними диэлектрической пластины. Можно подобрать такую ширину запрещенной зоны и некоторые другие характеристики полупроводника, что выделяться и поглощаться будет именно тепловая энергия. Если отводить теплоту от стыков, то получится холодильная машина, передающая теплоту от более холодного тела к более нагретому (см. рис. 4.37, а). Обычно области полупроводников разных типов и соединяющие их проводники укладывают, как это показано на рис. 4.37, б. При такой укладке холодные области стыков окажутся с одной стороны, а области горячих — с другой; получится компактный холодильник, способный обеспечить разность температур до 30...50 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
