Курс физики для вузов - часть 118

то оно вызывает движение электронов

в n-полупроводнике и дырок в р-полу-
проводнике от границы p-n-перехода в

противоположные стороны. В резуль-
тате запирающий слой расширится и
его сопротивление возрастет.

Направление внешнего

 рас-

ширяющего запирающий слой, называ-
ется запирающим {обратным). В этом
направлении электрический ток через
p-n-переход практически не проходит.
Ток в запирающем слое в запирающем
направлении образуется лишь за счет
неосновных носителей тока (электро-
нов в р-полупроводнике и дырок в п-
полупроводнике).

Если приложенное к р-п-переходу

внешнее электрическое поле направле-
но противоположно полю контактного
слоя (рис. 340,

 то оно вызывает дви-

жение электронов в п-полупроводнике
и дырок в р-полупроводнике к границе
p-n-перехода навстречу друг другу.

В этой области они рекомбинируют,

толщина контактного слоя и его сопро-
тивление уменьшаются. Следователь-

но, в этом направлении электрический
ток проходит сквозь p-n-переход в на-
правлении от р-полупроводника к

лупроводнику; оно называется пропус-

кным {прямым).

Таким образом, p-n-переход (подоб-

но на контакте металл — полупровод-
ник) обладает односторонней {вен-
тильной) проводимостью.

На рис. 341 представлена вольт-ам-

перная характеристика

Как уже указывалось, при пропускном

(прямом) напряжении внешнее элект-
рическое поле способствует движению
основных носителей тока к границе

p-n-перехода (см. рис. 340, б). В резуль-
тате толщина контактного слоя умень-

шается. Соответственно уменьшается и
сопротивление перехода (тем сильнее,

чем больше напряжение), а сила тока

Е

 340

становится большой (правая ветвь на
рис.

 Это направление тока назы-

вается прямым.

При запирающем (обратном) напря-

жении внешнее электрическое поле
препятствует движению основных но-
сителей тока к границе

(см. рис. 340, а)  способствует движе-
нию неосновных носителей тока, кон-
центрация которых в полупроводниках
невелика. Это приводит к увеличению
толщины контактного слоя, обедненно-
го основными носителями тока. Соот-
ветственно увеличивается и сопротив-
ление перехода. Поэтому в данном слу-
чае через

 протекает толь-

ко небольшой ток (он называется об-

ратным), полностью обусловленный

Рис.341

471

неосновными носителями тока (левая
ветвь рис. 341). Быстрое возрастание
этого тока означает пробой контактно-
го слоя и его разрушение. При включе-
нии в цепь переменного тока
ходы действуют как выпрямители.

§ 250. Полупроводниковые

диоды и триоды (транзисторы)

Односторонняя проводимость кон-

тактов двух полупроводников (или ме-
талла с полупроводником) использует-
ся для выпрямления и преобразования
переменных токов. Если имеется один
электронно-дырочный переход, то его
действие аналогично действию двух-
электродной лампы — диода (см. §

Поэтому полупроводниковое устрой-

ство, содержащее один

 на-

зывается полупроводниковым (крис-
таллическим) диодом. Полупровод-
никовые диоды по конструкции делят-
ся на точечные и плоскостные,

В качестве примера рассмотрим то-

чечный германиевый диод (рис. 342), в
котором тонкая вольфрамовая прово-
лока 1 прижимается к п-германию 2
острием, покрытым алюминием. Если
через диод в прямом направлении про-

пустить кратковременный импульс
тока, то при этом резко повышается
диффузия А1 в Ge и образуется слой

 обогащенный алюминием и

обладающий

 На гра-

нице этого слоя образуется
обладающий высоким коэффициентом
выпрямления. Благодаря малой емко-
сти контактного слоя точечные диоды

Рис.342

Рис. 343

применяются в качестве детекторов
(выпрямителей) высокочастотных ко-
лебаний вплоть до сантиметрового ди-
апазона

Принципиальная схема плоскостно-

го меднозакисного (купроксного) вып-
рямителя дана на рис. 343. На медную
пластину с помощью химической обра-
ботки наращивается слой закиси меди

 который покрывается слоем се-

ребра. Серебряный электрод служит
только для включения выпрямителя в

цепь. Часть слоя

 прилегающая к

меди и обогащенная ею, обладает элек-
тронной проводимостью, а часть слоя

 прилегающая к Ag и обогащен-

ная (в процессе изготовления выпрями-
теля) кислородом, — дырочной прово-
димостью. Таким образом, в толще за-
киси меди образуется запирающий слой
с пропускным направлением тока от

 к Си (р

 п).

Технология изготовления германи-

евого плоскостного диода описана в
§ 249 (см. рис. 338). Распространенны-
ми являются также селеновые диоды и
диоды на основе арсенида галлия и кар-
бида кремния. Рассмотренные диоды
обладают рядом преимуществ по срав-
нению с электронными лампами (ма-
лые габаритные размеры, высокие КПД

и срок службы, постоянная
к работе и т.д.), но они очень чувстви-
тельны к температуре, поэтому интер-
вал их рабочих температур ограничен

 °С).

 обладают не только

прекрасными выпрямляющими свой-
ствами, но могут быть использованы

472

также для усиления, а если в схему вве-
сти обратную связь, то и для генериро-

вания электрических колебаний. При-
боры, предназначенные для этих целей,
получили название полупроводнико-

вых триодов или транзисторов

(первый транзистор создан в 1949 г.

американскими физиками Д.Барди-
ном, У. Браттейном и У.

 Нобе-

левская премия 1956 г.).

Для изготовления транзисторов ис-

пользуются германий и кремний, так
как они характеризуются большой ме-
ханической прочностью, химической
устойчивостью и большей, чем в других

полупроводниках, подвижностью носи-
телей тока. Полупроводниковые трио-

 делятся на точечные и плоско-

стные. Первые значительно усилива-
ют напряжение, но их выходные мощ-
ности малы из-за опасности перегрева
(например, верхний предел рабочей
температуры точечного германиевого

триода лежит в пределах 50 — 80 °С).

Плоскостные триоды являются более
мощными. Они могут быть типа р-п-р
и типа п-р-п в зависимости от чередо-

вания областей с различной проводи-
мостью.

Для примера рассмотрим принцип

работы плоскостного триода

 т.е.

триода на основе гс-полупроводника

(рис. 344). Рабочие «электроды» трио-

да, которыми являются база (средняя
часть транзистора), эмиттер и кол-
лектор (прилегающие к базе с обеих

сторон области с иным типом проводи-
мости), включаются в схему с помощью

невыпрямляющих контактов — метал-

лических проводников. Между эмитте-
ром и базой прикладывается постоян-

ное смещающее напряжение в прямом
направлении, а между базой и коллек-
тором — постоянное смещающее напря-

жение в обратном направлении. Усили-
ваемое переменное напряжение подает-

ся на входное сопротивление

 а уси-

ленное снимается с выходного сопро-
тивления

Протекание тока в цепи эмиттера

обусловлено в основном движением
дырок (они являются основными носи-
телями тока) и сопровождается их

«впрыскиванием» — инжекцией — в

область базы. Проникшие в базу дырки

диффундируют по направлению к кол-
лектору, причем при небольшой толщи-

не базы значительная часть инжектиро-
ванных дырок достигает коллектора.

Здесь дырки захватываются полем, дей-

ствующим внутри перехода (притяги-
ваются к отрицательно заряженному
коллектору), вследствие чего изменяет-
ся ток коллектора. Следовательно, вся-
кое изменение тока в цепи эмиттера
вызывает изменение тока в цепи кол-

лектора.

Прикладывая между эмиттером и

базой переменное напряжение, полу-
чим в цепи коллектора переменный ток,
а на выходном сопротивлении — пере-
менное напряжение. Величина усиле-
ния зависит от свойств
нагрузочных сопротивлений и напря-
жения батареи

 Обычно

поэтому

 значительно превышает

входное напряжение

 (усиление мо-

жет достигать 10 000). Так как мощ-
ность переменного тока, выделяемая в

 может быть больше, чем расходу-

емая в цепи эмиттера, то транзистор дает
и усиление мощности. Эта усиленная

473

мощность появляется за счет источника
тока, включенного в цепь коллектора.

Из рассмотренного следует, что тран-

зистор, подобно электронной лампе,
дает усиление и напряжения, и мощно-
сти. Если в лампе анодный ток управ-
ляется напряжением на сетке, то в тран-
зисторе ток коллектора, соответствую-
щий анодному току лампы, управляет-
ся напряжением на базе.

Принцип работы транзистора п-р-п-

типа аналогичен рассмотренному выше,
но роль дырок играют электроны. Су-

ществуют и другие типы транзисторов,
так же как и другие схемы их включе-
ния. Благодаря своим преимуществам
перед электронными лампами (малые
габаритные размеры, большие КПД и
срок службы, отсутствие накаливаемо-
го катода (поэтому потребление мень-
шей мощности), отсутствие необходи-
мости в вакууме и т.д.) транзистор со-
вершил революцию в области элект-
ронных средств связи и обеспечил со-
здание быстродействующих ЭВМ с

большим объемом памяти.

Контрольные вопросы

Чем различаются по зонной

 полупроводники и диэлектрики? металлы и диэ-

лектрики?

Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?
В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?
Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и крис-

талле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?

Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с

 температуры?

Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?

Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запре-
щенной зоны? Доказать это положение.
Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной
примесной проводимости?
Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобла-

дает собственная проводимость?

Почему

 поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводи-

мости?

Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости?

Что такое красная граница фотопроводимости?

Каковы по зонной теории механизмы возникновения флуоресценции и фосфоресцен-

ции?
Что такое люминесценция? Какие ее виды вам известны?
Что представляют собой кристаллофосфоры?

Сформулируйте законы Вольта.
В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?
Объясните механизм возникновения контактной разности потенциалов согласно зон-
ной теории.
В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?
Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводни-
ком n-типа? с полупроводником

 Объясните механизм его образования.

Поясните физические процессы, происходящие в
Как объяснить одностороннюю проводимость
Какова вольт-амперная характеристика

 Объясните возникновение пря-

мого и обратного тока.

474