Файл: Lysenko_physics_lek_2.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 19.03.2024

Просмотров: 235

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

домішки. Захопленню вільного електрона атомом домішки відповідає на рис. 100.3 перехід електрона із зони провідності на один з донорних рівнів.

Акцепторні рівні впливають на електричні властивості кристала в тому випадку, якщо вони розміщені недалеко від межі валентної зони (див. рис. 100.3б). Утворенню дірки відповідає перехід електрона з валентної зони на акцепторний рівень. Зворотний перехід відповідає розриву однієї із чотирьох ковалентних зв'язків атома домішки з його сусідами й рекомбінації електрона, що утворився при цьому, і дірки.

При підвищенні температури концентрація домішкових носіїв струму швидко досягає насичення. Це означає, що практично звільняються всі донорні або заповнюються електронами всі акцепторні рівні. Разом з тим зі збільшенням температури все більшою мірою починає позначатися власна провідність напівпровідника, обумовлена переходом електронів безпосередньо з валентної зони в зону провідності. Таким чином, при високих температурах провідність напівпровідника буде складатися з домішкової й власної провідностей. При низьких температурах переважає домішкова, а при високих – власна провідність.

§ 101 Контакт електронного та діркового напівпровідників. Електричне поле p-n -переходу. Потенціальний бар’єр p–n -переходу. Вольт-амперна характеристика. Напівпровідниковий діод [3]

1 Контакт напівпровідників різного типу, який називається p-n -переходом, лежить в основі пристроїв, які отримали назву транзисторів та напівпровідникових діодів. Цей перехід являє собою тонкий шар на межі між двома областями одного і того самого кристала, які відрізняються типом домішкової провідності. Для виготовлення такого переходу беруть, наприклад, монокристал із дуже чистого германію з електронним механізмом провідності (обумовленим незначними залишками домішок). У вирізану із кристала тонку пластинку вплавляють із одного боку шматочок індію. Під час цієї операції, що здійснюється у вакуумі або в атмосфері інертного газу, атоми індію дифундують у германії на деяку глибину. У тій області, в яку проникають атоми індію, провідність германію стає дірковою. На межі цієї області виникає p − n -перехід. Існують й інші способи отримання p − n -переходів.

Концентрація домішок

 

 

–

–

–

–

+

–

+

+

+

+

Акцептори

Донори

–

–

–

+

–

+

–

+

+

+

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+

 

 

p

n

–

–

+

–

+

–

+

–

+

+

–

–

–

–

–

 

 

 

 

 

 

 

+

+

+

+

+

 

 

–

–

–

+

–

+

–

+

+

+

p − n перехід

–

–

–

–

+

–

+

+

+

+

 

 

 

 

 

p − n

перехід

 

 

 

Рисунок 101.1 – Зміна концентрації

Рисунок 101.2 – Розподіл

акцепторів

і

акцепторних та донорних домішок

донорів біля p − n -переходу. Більші кружки

в області p − n -переходу

зі знаком плюс або мінус – іони, малі

 

кружки – дірки, чорні точки – електрони

 

2 На рис. 101.1 показано хід концентрації домішок у напрямку, перпендикулярному до

межі напівпровідників різного типу. В

p -області основними носіями струму є дірки, що

утворилися в результаті захоплення електронів атомами домішки; акцептори при цьому стають від’ємними іонами (рис. 101.2). Крім того, в p -області є невелике число неосновних носіїв – електронів, що виникають внаслідок переведення тепловим рухом електронів з

210

валентної зони безпосередньо в зону провідності (цей процес трохи збільшує й число дірок). У n -області основні носії струму – електрони, які передані донорами в зону провідності (донори при цьому перетворюються в додатні іони); перехід електронів, який відбувається за рахунок теплового руху, з валентної зони в зону провідності приводить до утворення невеликого числа дірок – неосновних носіїв для цієї області.

Дифундуючи у зустрічних напрямках через межовий шар, дірки й електрони рекомбінують один з одним. Тому p − n -перехід стає сильно збідненим носіями струму й

отримує великий опір. Одночасно на межі між областями виникає подвійний електричний шар, утворений від’ємними іонами акцепторної домішки, заряд яких тепер не компенсується дірками, і додатними іонами донорної домішки, заряд яких тепер не компенсується електронами (див. рис. 101.2). Електричне поле у цьому шарі спрямоване так, що протидіє подальшому переходу через шар основних носіїв. Рівновага досягається при такій напруженості електричного поля, коли перехід основних носіїв струму через p − n перехід за

рахунок дифузії припиняється.

3 З точки зору зонної теорії рівноважний стан на p − n переході досягається при такій

висоті потенціального бар'єра, при якій рівні Фермі обох областей розміщуються на однаковій висоті (рис. 101.3).

 

 

 

Зона

 

Акцепторні

 

 

провідності

 

 

 

 

 

рівні

 

 

 

 

 

 

 

Рівень Фермі

 

 

Донорні

Заборонена зона

 

 

 

 

 

 

 

рівні

 

 

 

 

 

Валентна зона

 

Рисунок 101.3 – Згинання

енергетичних

зон в області

p − n -

переходу

 

 

 

 

Згинання енергетичних зон

в

області переходу викликане тим, що потенціал

p -області в стані рівноваги нижчий,

ніж потенціал

n -області; відповідно потенціальна

енергія електрона в p -області більша,

ніж в n -області. Нижня межа валентної зони дає хід

потенціальної енергії електрона в

напрямку, перпендикулярному

до переходу (див.

рис. 101.3). Заряд дірок протилежний заряду електрона, тому їх потенціальна енергія більша там, де менше енергія електрона, і навпаки.

У стані рівноваги деякій кількості основних носіїв вдається перебороти потенціальний

бар'єр, внаслідок чого через перехід проходить невеликий струм

Iосн (рис. 101.4а). Цей

струм компенсується зустрічним

струмом

Iнеосн ,

обумовленим

неосновними

носіями.

Неосновних носіїв дуже мало,

але вони

легко

проникають

через межу

областей,

«скочуючись» з потенціального бар'єра. Величина Iнеосн визначається числом неосновних носіїв, що народжуються за одиницю часу, і від висоти потенціального бар'єра майже не залежить. Величина Iосн , напроти, сильно залежить від висоти бар'єра. Рівновага встановлюється саме при такій висоті потенціального бар'єра, при якій обидва струми Iосн й Iнеосн компенсують один одного.

4 Подамо на кристал зовнішню напругу такого напрямку, щоб плюс був під’єднаний до p -області, а мінус – до n -області (така напруга називається прямою). Це приведе до

211

зростання потенціалу p -області й зниженню потенціалу n -області. У результаті висота потенціального бар'єра зменшиться й струм Iосн зросте. Струм же Iнеосн залишиться

практично без змін (він, як відзначалося, від висоти бар'єра майже не залежить). Отже, результуючий електричний струм буде відмінним від нуля. Зниження потенціального бар'єра пропорційне прикладеній напрузі (вона дорівнює eU ). При зменшенні висоти бар'єра струм основних носіїв, а отже, і результуючий струм швидко зростають. Таким чином, у напрямку від p -області до n -області p − n -перехід пропускає струм, сила якого швидко зростає при

збільшенні прикладеної напруги. Цей напрям називається прямим (або пропускним, або прохідним).

5 На

рис. 101.4

наведена

вольт-амперна

 

 

I

характеристика p − n -переходу. Виникаюче в кристалі

 

 

 

 

 

при прямій напрузі електричне поле “підтискує” основні

 

 

 

носії до межі між областями, внаслідок чого ширина

 

 

 

перехідного шару, збідненого носіями, скорочується.

 

 

 

Відповідно зменшується й опір переходу, причому тим

 

 

 

сильніше, чим більша напруга. Тому вольт-амперна

 

 

 

характеристика в пропускній області не є прямою (див.

 

 

 

праву гілку кривої на рис. 101.45).

 

 

 

 

U

 

 

 

 

Тепер прикладемо до кристала напругу такого

 

 

 

 

 

напрямку, щоб плюс був під’єднаний до

n -області, а

Рисунок 101.4 – Вольт-амперна

мінус – до

p -області

(така напруга

називається

характеристика p − n -переходу

зворотною). Це приведе до підвищення потенціального

бар'єра й відповідного зменшення струму основних носіїв Iосн . Виникаючий при цьому результуючий струм (називаний зворотним) швидко досягає насичення (тобто перестає залежати від U ) і дорівнює Iнеосн . Таким чином, у напрямку від n -області до p -області (який називається зворотнім або запірним) p − n -перехід пропускає слабкий струм, цілком

обумовлений неосновними носіями. Лише при дуже великій зворотній напрузі сила струму починає різко зростати, що обумовлено електричним пробоєм переходу (див. ліву гілку на рис. 101.4). Кожний p − n -перехід характеризується своїм граничним значенням зворотної

напруги, яку він здатний витримати без руйнування.

 

З

рис. 101.4

випливає, що p − n -перехід

U

має у зворотному напрямку набагато більший

 

опір, ніж у прямому. Це пояснюється тим, що

 

поле, яке виникає у кристалі при накладенні

 

зворотної напруги, «відтягає» основні носії від

t

межі між областями, що приводить до зростання

 

ширини перехідного шару, збідненого носіями.

I

Відповідно збільшується й опір переходу.

 

Неоднаковість опору в прямому й

 

зворотному напрямках дозволяє використовувати

t

p − n

переходи

для

випрямлення змінного

Рисунок 101.5 – Випрямлення змінного

струму. На рис. 101.5

показаний графік струму,

струму за допомогою p − n -переходу

який проходить через перехід, коли прикладена

 

напруга змінюється за гармонічним законом. У цьому випадку ширина шару, збідненого носіями, і опір переходу пульсують, змінюючись у такт зі змінами напруги.

§

102 Транзистор. База, емітер, колектор. Транзисторний підсилювач напруги [3]

1

Напівпровідниковий

тріод, або

транзистор, являє собою кристал із двома

p − n -переходами. Залежно

від порядку,

у якому чергуються області з різними типами

 

 

 

212

провідності, розрізняють

n − p − n -

і

p − n − p -транзистори. Середня частина транзистора

називається його базою. Прилягаючі до бази по обидва боки області з іншим, ніж у неї,

типом провідності утворюють емітер та колектор.

 

 

 

 

 

 

Емітер

База

 

Колектор

 

Емітер

База

Колектор

ε p _ d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

-

 

n

p

 

n

 

-

-

+

ε p _ e

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uвх

Rвх

 

 

Rвих

 

Uвих

 

-

 

 

ε p _ d

 

–

+

–

+

 

-

-

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

UE

 

 

UK

 

 

 

 

-

-

ε p _ e

 

 

 

 

 

 

б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 102.1

 

 

 

 

Рисунок 102.2

 

 

 

 

2 Розглянемо принцип роботи транзистора типу n − p − n . На рис. 102.1 показана схема транзисторного підсилювача напруги (можливі й інші схеми увімкнення транзистора). На перехід емітер-база подається постійна напруга UE у прямому напрямку, а на перехід база-колектор – постійна напруга UК у зворотному напрямку. Підсилювана змінна напруга Uвх подається на невеликий вхідний опір Rвх . Підсилена напруга Uвuх знімається з вихідного опору Rвuх . При зазначених на схемі знаках напруг опір переходу емітер – база невеликий, опір же переходу база – колектор, навпроти, дуже великий. Це дозволяє взяти як Rвuх опір великої величини.

На рис. 102.2а показаний хід потенціальної енергії електронів (суцільна крива) і дірок (пунктирна крива) у випадку, що коли напруги й вхідний сигнал відсутні. Під’єднання прямої напруги UE знижує потенціальний бар'єр на першому переході, а під’єднання

зворотної напруги UК підвищує потенціальний бар'єр на другому переході (рис. 102.2б).

Проходження струму в колі емітера супроводжується проникненням електронів в область бази. Електрони, які проникнули в базу, дифундують у напрямку колектора. Якщо товщина бази невелика майже всі електрони, не встигають рекомбінувати, «скочуються» з потенціальної гірки, яка знаходиться на межі база – колектор, і надходять у коло колектора.

Обумовлена вхідною напругою зміна струму IE в колі емітера приводить до зміни кількості електронів, які проникають у колектор, і, отже, до майже такої самої зміни струму IК в колі колектора. Припустимо, що IК ≈ IE . Виразивши ці струми через відповідні напруги й опори, отримаємо, що Uвх / Rвх ≈ Uвuх / Rвuх . Звідси

Uвuх : Rвх ≈ Uвuх : Rвх .

Оскільки Rвuх >> Rвх , напруга Uвuх значно перевершує вхідну напругу Uвх . Таким чином,

транзистор підсилює напругу й потужність. Підвищена потужність з’являється за рахунок джерела струму, увімкнутого в коло колектора.

213

Смотрите также файлы