|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Выпрямление тока на контакте полупроводников |
 | |
Анимация
0
Описание
Контакт двух полупроводников обладает выпрямляющим действием. Это значит, что сопротивление такого контакта зависит от направления проходящего через него тока. В одном направлении (запорном) оно велико, в противоположном (пропускном) - мало. Особенно резко выпрямляющее действие выражено на границе дырочного (р) и электронного (n) полупроводников, когда работа выхода электрона из электронного полупроводника меньше, чем из дырочного. О таком контакте говорят, как об электронно-дырочном (р-n) контакте или переходе.
Для получения хороших p-n переходов в пластинку чистого полупроводника вводят две примеси - донорную и акцепторную. Первая сообщает полупроводнику электронную, а вторая - дырочную проводимость. Например, если пластинка сделана из германия или кремния, то в качестве донора можно взять элемент пятой группы периодической системы (фосфор, мышьяк и пр.), а в качестве акцептора - элемент третьей группы (бор, индий и пр.). В результате в одной половине пластинки возникает электронная, а в другой - дырочная проводимость, а между обеими половинками - тонкий переходный слой. Это и есть p-n переход.
Допустим, что контакта между двумя полупроводниками из одного материала, но с разными типами примеси нет. Тогда границы энергетических зон (валентной зоны и зоны проводимости) в обоих полупроводниках совпадают. Примесные же уровни в запрещенной зоне расположены в электронном полупроводнике вблизи зоны проводимости, а в дырочном полупроводнике - вблизи валентной зоны. Благодаря этому средняя энергия электрона проводимости и уровень химического потенциала (mn) в первом полупроводнике будут выше, а работа выхода - меньше, чем во втором (mp) (рис. 1).
Зонная схема p- и n-полупроводников
Рис. 1
Приведем полупроводники в контакт друг с другом. Электроны будут переходить из первого полупроводника во второй. Электронный полупроводник будет заряжаться положительно, а дырочный - отрицательно. В тонком слое между ними появится контактное электрическое поле, направленное от электронного полупроводника к дырочному. В результате этого энергетические уровни электронного полупроводника начнут опускаться, а дырочного - подниматься.
Контактное электрическое поле Eк будет тормозить переход электронов в дырочный полупроводник. Процесс перехода прекратится, когда уровни химического потенциала в обоих полупроводниках сделаются одинаковыми. Переходный слой становится сильно обедненным основными носителями тока (электронами в n-полупроводнике и дырками в р-полупроводнике). Его сопротивление оказывается во много раз больше суммарного сопротивления обоих полупроводников. На рис. 2 приведена схема энергетических уровней в случае контакта полупроводников с разным типом примесей в отсутствии внешнего поля.
Смещение зон при контакте p- и n-полупроводников
Рис. 2
Присоединим теперь к этому кристаллу стороннюю э.д.с. так, как это показано на рис. 3: минус к р-кристаллу, и плюс к n-кристаллу.
Запирающее подключение перехода
Рис. 3
Такое подключение будем называть «обратным». Внешнее электрическое поле Е при этом направлено от электронного полупроводника к дырочному, т.е. одинаково с контактным полем Еc. Такое поле усиливает контактное поле Еc и тем самым еще больше уменьшает концентрацию основных носителей (дырок и электронов проводимости) в переходном слое. Сопротивление последнего еще больше возрастет. Величина тока Is через полупроводник в случае подачи на него напряжения очень мала, так как определяется неосновными носителями тока, концентрация которых незначительна.
Переменим теперь полюсы внешней э.д.с. (рис. 4).
Пропускающее подключение перехода
Рис. 4
Такое подключение будем называть «прямым». В этом случае внешнее поле Е будет направлено против контактного поля Еc. Тогда электроны проводимости и дырки будут беспрепятственно проникать в переходный слой, и сопротивление последнего практически исчезнет. Величина тока через контакт будет определяться уже основными носителями тока, концентрация которых велика, и ток через р-n-переход будет значителен.
Если ток переменный, то в зависимости от его направления и силы сопротивление контакта становится пульсирующим, изменяясь от нуля практически до бесконечности. В соответствии с этим ток через контакт будет проходить только тогда, когда внешнее поле Е направлено от дырочного полупроводника к электронному (рис. 4).
На этом принципе работают полупроводниковые выпрямители.
Зависимость тока I от напряжения (вольт-амперная характеристика р-n-перехода) описывается формулой (1):
, (1)
где с - постоянная, не зависящая от температуры и приложенного напряжения;
DE - ширина запрещенной зоны;
u - приложенное напряжение;
e - величина заряда электрона;
Т - температура;
к - постоянная Больцмана.
Множитель 
- компонента тока, обусловленная неосновными носителями (Is). Тогда формула (1) принимает вид:
. (2)
Знак «+» в показателе степени соответствует напряжению uпр., приложенному в прямом направлении (рис. 4), знак «-» соответствует напряжению uобр, приложенному в обратном направлении (рис. 3).
Из формулы (2) следует, что при комнатной температуре ток через p-n -переход, смещенный в прямом направлении, возрастает экспоненциально с ростом напряжения даже, если напряжение составляет всего несколько десятых вольта. В случае обратного смещения при тех же значениях напряжения величина тока равна Is и, соответственно, очень мала.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Полупроводниковые диоды-выпрямители применяются в радиотехнике, для выпрямления и преобразования электрических колебаний высокой частоты, для усиления и генерации электрических колебаний, в счетно-решающих электронных устройствах и т.д.
Полупроводниковые выпрямители отличаются высокими к.п.д., малыми габаритами и невысокой стоимостью. Один из типов германиевых выпрямителей состоит из пластинки германия с электронной проводимостью, в которую с одной стороны вварен шарик индия, а с другой - шарик олова. Оловянный шарик служит электродом для включения выпрямителя в цепь. Индий сообщает германию дырочную проводимость. При нагревании индий диффундирует в германий, вследствие чего вблизи индиевого электрода возникает дырочная проводимость, а на некоторой глубине - выпрямляющий p-n -переход.
Такие выпрямители при площади контакта 1 мм2 и напряжении 1 В пропускают токи больше 1 А, причем пропускаемые токи обратного направления обычно не превышают нескольких микроампер. При площади контакта в несколько см2 выпрямители могут пропускать токи в несколько сотен ампер. Их пробойные напряжения достигают многих сотен и тысяч вольт.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Техническая реализация исключительно проста: берем стандартный полупроводниковый диод, и измеряем тестером его сопротивление в прямом и обратном направлении. Убеждаемся, что эти сопротивления различаются на несколько порядков величины. Далее: подаем сетевые 220 В на вход осциллографа, сначала напрямую (наблюдаем синусоиду), а затем через последовательно включенный диод. В зависимости от полярности подключения диода, наблюдаем синусоиду с отрезанными положительными или отрицательными полупериодами.
Литература
1.Физический энциклопедический словарь.- М., 1983.
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
