Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 103
Текст из файла (страница 103)
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.
Источник усиливаемых колебаний при- 0 0+ ое' 0+он соединяют между эмиттером ° ° и базой, а усиленные ко- Энилнлер к еаи р лебания возникают в цепи ог о « коллектора. Показанная схема >.--~ включения триода называется схемой с общей базой. Рассмот)зим происходит внутри триода. Основная доля электрического тока внутри эмиттера представляет собой движение дырок, которые являются основными носителями заряда. Эти дырки инжектируются в область основания и в ка- Рис 354 Сран е не робо™ бичестве неосновных носителей полярного диффузионного триода р — н — р-тина (а) с трехэлект родной заряда движутся к коллектору.
Если длина диффузии дырок в области базы больше толщины базы, то значительная часть инжектированных дырок достигнет коллектора. Здесь положительные дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), и, вступая внутрь коллектора в качестве основных носителей, изменяют ток коллектора. Таким образом, всякое изменение тока в цепи эмиттера будет вызывать изменение тока в цепи коллектора То же будет справедливо и для напряжении на эмиттере и коллекторе. Оказывается, что изменение напряжения, возникающее на нагрузочном сопротивлении г в цепи коллектора, можно сделать 484 ЭХ!ЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ гл.
х!х гораздо больше, нежели вызвавшее его изменение напряжения в цепи эмиттера, т.е. получить усиление иапрло!сеиил. Прикладывая между эмнттером и базой переменное напряжение, мы получим в цепи коллектора переменный ток, а на нагрузочном сопротивлении — переменное напряжение. При этом мощность переменного тока, выделяемая в нагрузочном сопротивлении, может быть сделана больше мощности, расходуемой в цепи эмиттера, т.е. получится усиление мощиосп!и. Из сказанного видно, что действие полупроводниковых триодов напоминает действие вакуумных трехэлектродных ламп (рис.
354 б). При этом роль катода играет эмиттер, роль анода— коллектор, а в качестве сетки служит база. Изменяя напряжение между сеткой н катодом в вакуумном триоде, мы изменяем электронный поток в лампе и получаем изменение тока в цепи анода. Ана!!Огично, изменяя напряжение между эмиттером и базой, мы меняем поток пеосповпых носителей, инжектированпых в область базы, и этим изменяем ток в цепи коллектора.
Помимо рассмотренного полупроводникового триода, существуют и другие типы транзисторов, так же как и иные схемы включения. Транзисторы обладают рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами. Онн не имеют накаливаемого катода н поэтому потребляют меньшую мощность. Так как, кроме того, они не требуют вакуума (который может ухудшаться при работе лампы), то их надежность и срок службы больше, чем у электронных ламп. Транзисторы имеют также гораздо меньшие размеры.
Поэтому полупроводниковые приборы широко применяют вместо электронных ламп во многих радиотехнических схемах и счетно-ре!вающих устройствах. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Среди различных механических движений особо важное значение имеют колебания — движения или процессы, обладающие той или иной периодичностью во времени, Такие движения мы встречаем в небесной механике (движение планет), в различных механических машинах; они лежат в основе измерения времени (часы). Механическими колебаниями объясняются также звуковые явления. Подобно этому, среди различных электрических явлений особое место занимают электромагнитные колебания, при которых электрические величины (заряды, токи, электрические и магнитные поля) изменяются периодически.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
