Efectul de îndreptare al tranziției electron-hole în semiconductori
Contactul celor două semiconductori are o acțiune rectificativă. Aceasta înseamnă că rezistența unui astfel de contact depinde de direcția curentului care trece prin el. Într-o direcție (închidere) este mare, în direcția opusă (trecere) este mică. Un efect deosebit de ascuțire este exprimat la limita dintre semiconductori (p) și electronici (n), atunci când funcția de lucru a unui electron dintr-un semiconductor de electroni este mai mică decât cea a unui semiconductor cu orificii. Acest contact este denumit contact sau tranziție cu o gaură electronică (pn).
Pentru a obține tranziții p-n bune, două impurități, un donator și un acceptor sunt introduse în placa unui semiconductor pur. Prima informează electronul semiconductorului, iar conductivitatea a doua a găurii. De exemplu, în cazul în care placa este făcută din germaniu sau siliciu, într-un element de donator poate lua al cincilea grup a sistemului periodic, precum acceptor (fosfor, arsenic și așa mai departe.) - al treilea element de grup (bor, indiu, și așa mai departe.). Ca rezultat, în jumătate din placă există o conductă electronică, iar în cealaltă - conductivitatea găurilor și între cele două jumătăți - un strat subțire de tranziție. Aceasta este tranziția p-n.
Să presupunem că nu există niciun contact între două semiconductoare din același material, dar cu diferite tipuri de impurități. Apoi limitele benzilor de energie (banda de valență și banda de conducție) în cele două semiconductori coincid. Nivelurile de impuritate din banda interzisă sunt localizate în semiconductorul de electroni lângă banda de conducție și în semiconductorul gaură - în apropierea benzii de valență. Din acest motiv, energia medie a electronului de conducere și nivelul potențialului chimic (m n) din primul semiconductor vor fi mai mari, iar funcția de lucru va fi mai mică decât cea de-a doua (m p) (figura 1).
Schema de banda a semiconductorilor p si n
Să ne aducem semiconductorii în contact unul cu celălalt. Electronii vor trece de la primul semiconductor la al doilea. Semiconductorul cu electroni va fi încărcat pozitiv, iar semiconductorul cu orificiu va fi negativ. Într-un strat subțire între ele va exista un câmp electric de contact direcționat de la semiconductorul electronului la semiconductorul cu orificiu. Ca rezultat, nivelurile de energie ale semiconductorului electronic încep să scadă, iar nivelele de găuri se vor ridica.
Câmpul electric de contact E k va împiedica transferul de electroni în semiconductorul cu orificii. Procesul de tranziție se oprește atunci când nivelurile de potențial chimic din ambele semiconductori devin egale. Stratul de tranziție devine puternic epuizat din principalele purtători de curent (electronii din n-semiconductor și găurile din p-semiconductor). Rezistența sa este de multe ori mai mare decât rezistența totală a ambelor semiconductori. În Fig. 2 prezintă schema de niveluri de energie în cazul contactului semiconductorilor cu diferite tipuri de impurități în absența unui câmp extern.
Deplasarea zonelor la contactul semiconductorilor p și n
Să ne atașăm acum la acest cristal o emf externă. așa cum se arată în Fig. 3: minus p-cristalul și plus la n-cristalul.
Blocarea conexiunii joncțiunii
Această conexiune va fi numită "inversă". Câmpul electric extern E este direcționat de la semiconductorul electron la semiconductorul cu orificii, adică este același cu câmpul de contact E c. Un astfel de câmp intensifică câmpul de contact Ec și astfel reduce în continuare concentrația purtătorilor principali (găuri și electroni de conducere) în stratul de tranziție. Rezistența celor din urmă va crește și mai mult. Amplitudinea curentului I prin semiconductor în cazul unei tensiuni aplicate este foarte mică, deoarece este determinată de transportatorii minoritari a căror concentrare este neglijabilă.
Haideți să schimbați acum polii emfului extern. (Figura 4).
Săriți conexiunea de tranziție
Vom numi această legătură "directă". În acest caz, câmpul extern E va fi direcționat către câmpul de contact E c. Apoi, electronii de conducere și găurile vor pătrunde liber în stratul de tranziție, iar rezistența acestora din urmă dispare practic. Curentul prin contact va fi determinat de principalii transportatori actuali a căror concentrație este mare și curentul prin joncțiunea pn va fi semnificativ.
Dacă curentul este variabil, atunci, în funcție de direcția și forța sa, rezistența de contact devine pulsantă, schimbând de la zero la practic la infinit. În conformitate cu aceasta, curentul prin contact va trece numai atunci când câmpul extern E este direcționat de la semiconductorul orificiului la semiconductorul cu electroni (figura 4).
Redresoarele cu semiconductoare lucrează pe acest principiu.
Dependența curentului I de tensiunea (caracteristică curent-tensiune a joncțiunii pn) este descrisă de formula (1):
unde c este o constantă independentă de temperatură și tensiune aplicată;
D E - lățimea zonei interzise;
u - tensiunea aplicată;
e este magnitudinea încărcării electronice;
k este constanta Boltzmann.
Factorul este componenta curentă datorată transportatorilor minoritari (I s). Apoi formula (1) ia forma:
Semnul "+" din exponent corespunde tensiunii u a tensiunii aplicate în direcția înainte (Figura 4), semnul "-" corespunde tensiunii u a eșantionului. aplicată în direcția opusă (figura 3).
Rezultă din formula (2) că, la temperatura camerei, curentul prin joncțiunea p-n deplasat în direcția înainte creste exponențial cu creșterea tensiunii, chiar dacă tensiunea este doar câteva zeci de volți. În cazul unei inversări inverse la aceleași valori de tensiune, magnitudinea curentului este I s și, prin urmare, este foarte mică.
Timp de inițiere (log t o de la -8 la -5);
Timpul de existență (log t c de la -7 la 15);
Timp de degradare (log t d de la -8 la -5);
Timpul dezvoltării optime (log t k de la -6 la -1).
Implementarea tehnică a efectului
Realizarea tehnică a efectului
Implementarea tehnică este extrem de simplă: luăm o diodă semiconductoare standard și măsuram rezistența testerului în direcțiile înainte și înapoi. Suntem convinși că aceste rezistențe diferă de mai multe ordini de mărime. În continuare: alimentăm rețeaua de 220 V la intrarea osciloscopului, mai întâi direct (observați sinusoidul) și apoi prin dioda conectată în serie. În funcție de polaritatea conexiunii diodice, observăm un sinusoid cu semestri decupați pozitiv sau negativ.
Semnalele redresoare diodice sunt utilizate în radiotelegrafie, pentru rectificarea și conversia oscilațiilor electrice de înaltă frecvență, pentru amplificarea și generarea oscilațiilor electrice, pentru numărarea dispozitivelor electronice etc.
Redresoarele cu semiconductoare au o eficiență ridicată. dimensiuni mici și costuri reduse. Unul dintre tipurile de redresoare de germaniu constă dintr-o placă de germaniu cu conductivitate electronică, în care o bilă de indiu este sudată pe o parte și pe de altă parte o minge de tablă. Bilele de tablă servesc ca un electrod pentru conectarea redresorului la circuit. Indiu imparte conducerea gaurii la germaniu. Când este încălzit, indiul difuzează în germaniu, ca rezultat al conducerii gaurii care apare lângă electrodul de indiu și la o anumită adâncime - o joncțiune p-n de rectificare.
Astfel de redresoare cu o suprafață de contact de 1 mm2 și o tensiune de 1 V depășesc curenți mai mari de 1 A, iar curenții transmiși în direcția inversă nu depășesc de obicei mai multe microamperi. Cu o zonă de contact de câteva cm2, redresoarele pot trece curenți de câteva sute de amperi. Tensiunile lor de defalcare ating numeroase sute și mii de volți.
1. Dicționar encyclopedic fizic .- M. 1983.
2. Sivukhin DV Curs general de fizică. - M. Nauka, 1977.
- semiconductoare
- p-n joncțiune
- impuritate
- donator
- acceptor
- indreptare
- electron
- gaură
- curent
- transportatorii de bază
- câmp electric
- deplasarea directă
- înclinație înapoi
Sectiile de stiinte naturale:
Trimiteți-le prietenilor: