Образование электронно-дырочного перехода

Несмотря на то, что количество примеси незначительно, число образующихся при ее наличии слабо связанных электронов в де­сятки раз превышает их число в чистом германии.

Таким образом, германий, обогащенный пятивалентной при­месью, обладает преимущественно носителями электрического заря­да в виде свободных (лишних) электронов и поэтому его примесная проводимость будет электронной.

Иную примесную про­водимость приобретает германий, если в него вво­дить атомы трехвалент­ных элементов. В качест­ве такой трехвалентной примеси используется ин­дий.

Так как атомы индия имеют три валентных электрона, то при образо­вании связей с атомами германия одна из четырех возможных связей (рис. 208, б) оказывается не­полной, и каждый атом индия присоединяет к себе  по четвертому электрону от атомов германия. В результате этого в атомах германия появляются дырки.

Таким образом, германий, обогащенный трехвалентной (акцеп­торной) примесью, обладает преимущественно носителями положи­тельного электрического заряда в виде дырок, т. е. дырочной про­водимостью.

Из сказанного следует, что введением примеси можно во много раз увеличить проводимость полупроводника и придать ей резко выраженный электронный или дырочный характер.

§ 152. ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

Рассмотрим процесс, который происходит в месте соприкоснове­ния полупроводника, обладающего электронной n-проводимостью, с полупроводником, обладающим р-проводимостью.

Такая пара полупроводников образует полупроводниковый диод. В нем часть поверхностных электронов из области n-проводимости проникает в поверхностный слой р-проводимости. Вследствие умень­шения количества электронов на границе контакта в полупровод­нике с n-проводимостью появится положительный заряд (рис.209). Поле образовавшегося положительного заряда отталкивает поло­жительные заряды (дырки) полупроводника с р-проводимостью, и они перемещаются от границы соприкосновения в глубь полупро­водника

 Одновременно с переходом электронов из области n  в область р часть положительных зарядов (дырок) по аналогии перейдет из полупроводника с р-проводимостью в полупроводник с n-проводимостью. Вследствие уменьшения количества положительных заря­дов на границе контакта в полупроводнике с р-проводимостью по­явится  отрицательный  электрический  заряд.  Поле  этого  заряда

будет отталкивать отрицательные заряды (электроны) полупровод­ника с n-проводимостью и они переместятся от границы соприкосно­вения в глубь проводника.

Таким образом, на границе двух полупроводников образуется слой, обедненный носителями зарядов (электронами и дырками), который обладает повышенным сопротивлением. Этот слой принято

называть  р — n-переходом  или  электронно-дырочным  переходом. Р — n-переход практически составляет доли микрона.

Предположим, что к рассмотренным полупроводникам подклю­чен источник электрической энергии так, что к области р-проводимости присоединен отрицательный полюс источника, а к области n-проводимости —положительный полюс (рис. 210,а). В этом слу­чае под влиянием поля внешнего напряжения электроны и дырки будут в большом количестве соответственно отталкиваться в глубь

полупроводников. Р — n-переход увеличится, его сопротивление возрастет и в цепи полупроводникового диода электрического тока практически не будет. Однако незначительному количеству неосновных носителей зарядов (положительных) из n-области и (отрицательных) из р-области, имеющих большие скорости, удастся проскочить р — n-переход и в цепи будет протекать весьма неболь­шой ток, называемый обратным током.

Изменим полярность источника электрической энергии, подклю­ченного к диоду (рис. 210, б). Теперь электроны «-области и дырки

р-области будут взаимно притяги­ваться и перемещаться к границе этих полупроводников. Р — n-пере­ход сужается, его сопротивление рез­ко уменьшается и создаются условия для перехода большого количества электронов из «-области в р-область, а следовательно, для перехода ды­рок в противоположном направле­нии. При таком включении полупро­водникового диода в цепи появится значительный электрический ток, но­сящий название прямого тока.

Сила прямого тока в полупровод­никах зависит от величины прило­женного к ним напряжения.

Из описания процесса, происходящего на границе двух полупро­водников с различной по знаку проводимостью, следует, что они обладают, как и электронная лампа — диод, односторонней прово­димостью. Это значит, что при одном направлении электрического поля, создаваемого приложенным к полупроводникам прямым на­пряжением, диод пропускает ток и сопротивление его мало, а при обратном направлении этого поля, создаваемого приложенным к полупроводникам обратным напряжением, сопротивление диода велико, а ток в его цепи весьма мал.

На рис. 211 показана типичная характеристика германиевого диода. Для большей наглядности кривая прямого тока (правая часть графика) и кривая обратного тока (левая часть графика) построены в различных масштабах.

Из графика видно, что при напряжении 1 в на зажимах герма­ниевого диода в его цепи проходит большой ток, зато при напря­жении даже минус 10, 20, 30 и 40 в диод практически не пропускает

тока.

Это свойство полупроводниковых диодов используется для вы­прямления переменного тока в постоянный.

§ 153. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

В технике применяют кремниевые, селеновые, германиевые и другие полупроводниковые диоды.

Селеновый диод представляет собой стальную, алюминиевую или никелированную шайбу, покрытую слоем селена, обладающего  дырочной р-проводимостью.

Селен, применяемый при производстве диодов, по своим хими­ческим свойствам близок к сере. Он имеет свинцово-серый цвет  и кристаллическое строение.

На слой селена наносят в расплав­ленном состоянии сплав олова с кад­мием. При этом вследствие проникновения (диффузии) атомов кадмия в селен на поверхности последнего созда­ется слой селенистого кадмия, имею­щего электронную n-проводимость. Ме­жду селеном и селенистым кадмием образуется р — n-переход.

Селеновый диод оказывает малое сопротивление току, идущему от селена к сплаву. В обратном направлении, от сплава к селену, диод имеет большое сопротивление.

На рис. 212 приведен график зави­симости сопротивления селенового диода от приложенного напряжения при прямом и обратном направлениях тока. При напряжении 3 в прямое сопротив­ление селенового диода мало, с уменьшением напряжения оно возрастает. При изменении знака прило­женного напряжения сопротивление диода достигает наибольшего значения. Предельное обратное напряжение, которое можно пода­вать на один элемент селенового диода, равно 20 в.

Величина предельно допустимой плотности тока для селеновых диодов составляет 70 ма на 1 ем2 рабочей поверхности, т. е. поверх­ности селенового слоя. Если величина выпрямляемого тока превы­шает допустимое для одного элемента значение, то шайбы соеди­няют параллельно, так как при этом возрастает их рабочая поверх­ность.

Ввиду того что на один выпрямительный элемент (шайбу) допу­скается подавать напряжение до 20 в, для выпрямления большого напряжения отдельные шайбы соединяют последовательно. Напри­мер, при последовательном соединении двух элементов на них мож­но подать напряжение U=20×2 = 40 в, трех элементов — U=20×3 = = 60 в и т. д. Последовательное соединение шайб в столбики дости­гается путем плотного соприкосновения тыловой части одной шай­бы с рабочей поверхностью следующей шайбы и т. д.

Срок службы селеновых диодов 20—30 тыс. ч. Допустимый на­грев их 4-70° С.

Полупроводниковые диоды необходимо содержать в чистоте, предупреждать  возможность  их  перегрева.  Пропускать  по  цепи диода силу тока, большую чем та, на которую он рассчитан, не рекомендуется.

Германиевые диоды изготовляют двух видов: точечные и пло­скостные.

Точечный контактный германиевый диод (рис. 213, а) состоит из керамического цилиндра 2, металлических контактодержателей 1, контактной пружины 6, кристаллодержателя 4, кристал­ла германия 5 и выводных проводников 3. Кристалл имеет электронную проводи­мость, а под контактным острием в результате спе­циальной обработки создает­ся область с дырочной про­водимостью. В настоящее время эти диоды почти вы­теснены плоскостными.