Матвеев А.Н. Квантовая механика (1185136), страница 62

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 62)

81. В этом случае ток через устройство идет лишь тогда, когда напряжение имеет направление, принятое на рисунке за положи- Рас, а~ тельное. При изменении направления напряжения на противоположное ток через устройство не идет. В общем случае может быть, что при изменении направления на противоположное ток через устройство потечет в противоположном направлении, но его абсолютная величина будет значительно меньше, чем величина тока в прямом направлении при той же + абсолютной величине напряжения.

+ Ясно, что такое устройство будет + действовать так же, как выпрямитель. Его вольт-амперная характеристика показана на рис. 81 пунктирной линией. Простейшим выпрямительным устройством является система из а1 двух металлов с различной работой выхода, разделенных слоем изолятора (рис. 82). После контакта между различными частями рассматриваемого устройства устанавливается равновесие, причем установление равновесия сопровождается изменением относительного расположения энергетических зон. Ясно, что после установления контакта поток электронов посредством туннельного эффекта устремится от металла с более высоким уровнем Ферми к металлу с более низким уровнем Ферми, т.

е. от металла 2 к металлу 1 (рис. 82, а). В результате этого уровень Ферми в металле 2 понижается, а в металле 1 — повышается. Перетекание электронов прекратится тогда, когда уровни Ферми сравняются. В результате установится равновесие.

Но в металле 2 будет недостача электронов, а в металле 1 — избыток. Следовательно, между металлом 1 и металлом 2 возникнет разность потенциалов, как это показано на рис. 82, б. Из области с недостатком электронов будет происходить зы процесс диффузии электронов через потенциальный барьер в область, где их имеется избыток, а из области с избытком электронов пойдет ток проводимости в область с недостатком электронов.

Диффузия электронов в одну сторону уравновешивается током проводимости электронов в другую сторону. Покажем, что контактный слой, в котором имеется собственное электрическое поле, действует как выпрямитель. Пусть внешнее электрическое поле, возникающее за счет приложенной разности потенциалов, имеет то же направление, что и внутреннее электрическое поле контактного слоя (рис. 83, а). Благодаря этому суммарная напряженность поля в запирающем слое увеличится, увеличится и высота потенциального Е Е барьера между областями. Вследствие этого диффузионный поток электронов через потенциальный барьер из области с недостатком электронов в область с избытком электронов уменьшится.

Поток электронов из области с избытком электронов в область с недостатком электронов не преодои б) левает никакого потенциального барьера и определенным образом увеличивается при увеличении внешнего поля. Таким образом, в результате приложения внешнего поля в контактном слое возникает ток за счет двух факторов: увеличения тока проводимости и уменьшения тока диффузии.

Ясно, что за счет уменьшения тока диффузии полный ток не может увеличиться больше, чем на первоначальный ток диффузии. Поэтому уже при сравнительно малых полях этот фактор перестает играть роль, так как уже при сравнительно малых полях диффузия почти полностью прекращается и дальнейшее поведение полного тока определяется зависимостью тока проводимости от внешнего поля. Пусть внешнее поле направлено противоположно внутреннему полю контактного слоя (рис. 83, б). Благодаря этому суммарная напряженность электрического поля в запирающем слое уменьшится, уменьшится и высота потенциального барьера междуобластями с избытком и недостатком электронов.

Диффузионный поток электронов через потенциальный барьер соответствующим образом увеличится, причем это увеличение не ограничено величиной первоначального тока диффузии. С другой стороны, за счет внешнего поля уменьшается соответствующим образом ток проводимости. Таким образом, в результате приложения внешнего поля в контактном слое возникает ток за счет уменьшения тока проводимости и увеличения тока диффузии. В отличие от предыдущего случая, теперь увеличение полного тбка за счет тока диффузии может быть весьма значительным.

В результате получается„что при одной Лз и той же абсолютной величине внешнего поля возникающий в контактном слое ток в рассматриваемом случае по абсолютной величине оказывается большим, чем в предыдущем случае, поскольку токи проводимости в обоих случаях примерно одинаково зависят от внешнего поля, а все различие обусловливается токами диффузии.

А это означает, что контактный слой действует как выпрямитель. В полупроводниковых диодах контактный слой создается на границе раздела между полупроводниками с различным типом проводимости. Как мы уже говорили, проводимость может быть как электронной, так и дырочной. В одном и том же полупроводнике в зависимости - - '+ от характера примесей можно создать как дырочную проводимость, так и электронную. Рассмотрим границу раздела между Рис.

И областью полупроводника с электронной проводимостью, которая называется электронной областью, и областью проводника с дырочной проводимостью — дырочной областью (рнс. 84). Граница между электронной и дырочной областями называется электронно-дырочным переходом, или п-р-переходом. В дырочной области имеется избыток дырок, а в электронной области — избыток электронов (по сравнению с числом дырок в этой области).

Электроны из электронной области стремятся перейти в дырочную область и занять места дырок. Благодаря этому число дырок в дырочной области уменьшается, а соответствующее число дырок в электронной области образуется вновь. Можно сказать, что электроны стремятся диффундировать из электронной области в дырочную„ а дырки — из дырочной области в электронную. В результате этой диффузии дырочная область заряжается отрицательно, а электронная — положительно.

Следовательно, на электронно-дырочном переходе возникает внутренняя разность потенциалов. В соостоянии равновесия диффузия электронов и дырок через образовавшийся потенциальный барьер уравновешивается противоположно направленными токами электронов и дырок под действием образовавшейся разности потенциалов.

Благодаря наличию внутреннего поля в электроннодырочном переходе он будет действовать как выпрямитель, что уже было описано. Таким образом, электронно-дырочный переход является полупроводниковым выпрямителем, или, что то же самое, полупроводниковым диодом. Типичная вольт-амперная характеристика полупроводникового диода изображена на рис. 85.

Ток насыщения достигается при внешнем поле, совпадающем с внутренним полем электронно-дырочного перехода. В этом случае высота потенциального барьера между электронной и дырочкой областями увеличивается и, следовательно, уменьшается поток электронов, проникающих через потенциальный барьер из элек- 313 ~ронной области в дырочную. Уже при внешнем потенциале в несколько десятых вольта поток электронов из электронной области в дырочную практически прекращается. Поток же электронов из дырочной области в электронную остается практически без изменения, так как для него отсутствует потенциальный барьер. Следовательно, всяас кий электрон, который в результате теплового движении оказывается вблизи запирающего слоя, увлекается этим слоем в электронную область. Рис.

Вз Возникающий ток зависит лишь от числа электронов, попадающих в единицу времени в область действия электрического поля запирающего слоя, и практически не зависит от приложенного извне напряжения. Этот ток и есть ток насыщения (рис. 85). ф 91. Полупроводниковые триоды Полупроводниковые диоды являются выпрямляющими устройствами. Они действуют как усилители. Полупроводниковый триод представляет собой систему из двух электронно-дырочных выпрямляющих переходов, расположенных на близком расстоянии в одном кристалле (рис.

86). В трех областях кристалла имеется различная проводимость. Триоды с че- я 1, +: р редованием типов проводимостей, изображенной на рис. 86, называются триодами р-и-р-типа. Имеются также триоды и-р-птипа, у которых в середине расположена дырочиая область. Один из электронно-дырочных переходов полупроводникового триода, к которому приложен положительный потенциал, называется эмиттером, а другой — коллектором.

Область между эмиттером и коллектором называется основанием, или базой. Пусть внешнее электрическое поле приложено так, как изображено на рис. 87. В этом случае левый электронно-дырочный переход работает как эмиттер, а правый — как коллектор. При указанном направлении внешнего поля величина потенциального барьера на эмиттере уменьшается, а на коллекторе увеличивается. Эмиттер работает на возрастающей положительной ветви вольтамперной характеристики, изображенной на рис.

88, а коллектор работает на отрицательной ветви вольт-амперной характеристики вблизи тока насыщения. При изменении тока через эмиттер происходит пропорциональное изменение тока через коллектор. Вообще говоря, изменение тока через коллектор несколько меньше, 314 чем изменение тока через эмиттер, потому что в процессе прохождения через базу часть дырок рекомбинирует с электронами и исчезает. Однако, если ширина базы не очень велика, этот эффект незначителен и можно считать, что изменение тока через коллектор равно изменению тока через эмиттер, т. е. ЛУи ж ЛУ,.

Таким образом, никакого усиления по току нет, однако есть усиление по напряжению и мощности. Ток насыщения через коллектор примерно 1, ~н "к а ~й Рис. ВВ Рис. В7 равен току через эмиттер, причем вольт-амперные характеристики тока насыщения через коллектор перемещаются практически параллельно друг другу. На рис. 88 изображены вольт-амперная характеристика эмиттера и вольт-амперная характеристика коллектора, которая зависит от тока через эмиттер. Поскольку вольт-амперные характеристики коллектора идут почти параллельно оси напряжений на коллекторе, то небольшое изменение тока иа коллекторе вызывает большое изменение напряжения ЛУ„ на нагрузочном сопротивлении коллектора, которое во много раз больше изменения напряжения на эмиттере. Все эти соотношения хорошо могут быть прослежены по рис.

Характеристики

Список файлов книги