Электричество Явление термоэлектричества Полупроводниковый выпрямитель Изучение колебательного контура Постоянный ток Сегнетоэлектрики Пьезоэлектрический эффект Работа и мощность тока.

Если взять кристалл полупроводника, состоящего из двух частей: одной с примесью p – типа и другой с примесью n – типа ,то граница между ними называется p – n – переходом.

В этом случае электроны из полупроводника n – типа, где их много, будут переходить в полупроводник p – типа, где их мало, а дырки будут перемещаться в обратном направлении. Процесс диффузии дырок и электронов происходил бы до полного выравнивания концентраций дырок и электронов, если бы они не переносили зарядов. Но электроны, переходящие из n – области в p – область, переносят отрицательный заряд, и n – область заряжается положительно, а p – область – отрицательно. Диффузия дырок в противоположном направлении так же заряжает p – область отрицательно, а n – область положительно, т. е. между p и n – областями возникает КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ потенциалов.

Появившееся электрическое поле вызывает обратный переход: ДЫРОК из n – области в p – область и электронов из p – области в n – область ( Рис.4).

Действительно, достаточно свободному электрону, находящемуся в p – области при хаотическом движении пересечь границу А переходного слоя, как он силами поля будет втянут в n – область .То же будет происходить с дырками, находящимися в n – области.

Дырки же p – области, попавшие в переходной слой АВ, если их кинетическая энергия недостаточна, выталкиваются полем назад в p – область, что уменьшает их диффузию .Через слой АВ могут пройти в n – область только такие дырки, которые движутся в направлении к n – области и имеют достаточную кинетическую энергию Это относится и к электронам n – области. Поэтому в переходном слое АВ устанавливается такая постоянная разность потенциалов (порядка одного вольта), при которой диффузионный поток дырок из p – области в n – область уравновешивается встречным потоком дырок, создаваемым полем в области АВ.

Одновременно уравновешиваются и встречные потоки электронов.


В переходной области АВ, толщина которой очень мала (не больше нескольких микрон), подвижные носители зарядов удержаться не могут, поэтому в ней остаются только локализованные ионы акцепторной примеси в области АО и донорной примеси в области ВО. Все электрическое поле оказывается сосредоточенным только между поверхностями А и В и действует на заряды подобно полю конденсатора.

Отличие от конденсатора только в том , что создающие поле заряды находятся не на поверхности, а во всем объеме между А иВ.

Весь избыточный заряд p – области, получившийся в результате ухода дырок и перехода в нее электронов из n – области, сосредоточен в слое АО, а вся остальная часть p – области оказывается электрически нейтральной.

То же относится и к n – области.

Обедненный подвижными зарядами слой АВ обладает очень большим удельным сопротивлением, в то время как сопротивление остальных частей кристалла мало. Таким образом, все электрическое сопротивление кристалла с p – n – переходом создается переходным слоем АВ.

Пока к кристаллу с p – n – переходом не приложено внешнее напряжение, диффузионный поток дырок в n – области равен встречному потоку дырок в p – область, создаваемому полем переходной области АВ.

Это же справедливо и для встречных потоков электронов, поэтому ток в кристалле отсутствуют(Рис.5а).

Если приложить к кристаллу такое внешнее напряжение, при котором потенциал p - -области выше потенциала п – области (Рис.5в), то вследствие большого сопротивления слоя АВ все это напряжение, которое не должно превышать 1 вольта, окажется приложенным непосредственно к этому слою, а на других частях кристалла наличие внешнего напряжения не отразится.

При этом поле в области АВ будет ослаблено, так как внешнее поле направлено навстречу внутреннему, а сама область сузится.

Это нарушит подвижное равновесие между встречными потоками ДЫРОК и электронов через p – n – переход.

Вследствие ослабления поля в области АВ диффузионные потоки ДЫРОК слева направо и электронов справа на налево резко возрастут, в то время как встречные потоки тех же подвижных носителей останутся неизмененными. Следовательно, через кристалл потечет ток в направлении от p – области к n – области. Приложенное напряжение и ток в этом случае называются ПРЯМЫМИ.

Если внешнее напряжение на переходе постепенно увеличивать, то по мере приближения его величины к контактной разности потенциалов происходит все более быстрое возрастание ПРЯМОГО тока через кристалл. Например, плотность прямого тока при напряжении на p – n переходе германиевого кристалла 0,5 вольт получается ~100а/см2, а при напряжении 0,6 вольт – около 700 а/см2.

Если к p – n переходу приложить внешнее напряжение обратной полярности: положительный потенциал к n – области (рис.5с), то в этом случае область АВ расширится, а отрицательный заряд в области АО и положительный заряд в области ВО увеличится, т.е. поле p – n переходе усилится.

Следовательно, диффузионные потоки ДЫРОК и электронов уменьшатся, так как теперь требуется, большая энергия для преодоления тормозящего действия p – n – перехода и найдется меньше дырок и электронов, обладающих такой энергией.

Встречные потоки электронов и дырок при этом останутся неизменными и начнут преобладать над диффузионными потоками. Поэтому появится результирующий ток, направленный из n – области в p – область. Приложенное к p – n – переходу напряжение в этом случае и текущий через него ток называется ОБРАТНЫМ.

Но дырок в n- области и электронов в p – области очень мало, так как это не основные носители зарядов для этих областей. Поэтому плотность обратного тока ОЧЕНЬ МАЛА. У кремниевых полупроводниковых диодов она составляет десятки микроампер на квадратный сантиметр при внешнем напряжении в сотни вольт.

При увеличении напряжения обратный ток растет медленно и при некотором напряжении фактически перестает зависеть от него ~ ток насыщения. При этом диффузионные потоки электронов и дырок почти совсем исчезают, а так как встречные потоки не основных носителей от напряжения не зависят, то ОБРАТНЫЙ ТОК при дальнейшем повышении напряжения остается неизменным.

Таким образом, если прямое напряжение на p – n – переходе измеряется долями вольта, то через него протекает ток , измеряемый долями ампера ( для выпрямителей средней мощности ).

Если же обратное напряжение измеряется даже сотнями вольт, то через p – n – переход протекает ток, измеряемый сотыми и тысячными долями микроампера. Следовательно, кристалл с p – n – переходом работает как ВЕНТИЛЬ: пропускает ток в одном направлении ~ переход отперт и не пропускает его обратно ~ переход заперт, - то есть кристалл подобен диоду.


Включая последовательно с таким диодом нагрузочное сопротивление и подавая на них переменное напряжение, мы практически получим в цепи нагрузки постоянной

по направлению ток.

 1 Диффузионный поток дырок

 2  Поток дырок под действием поля

 3 Диффузионный поток электронов

 4  Поток электронов под действием поля

а) Ток отсутствует, так как результирующие потоки дырок электронов через переход АВ равны нулю.

Подпись:


1

2

3

4

в) Область АВ сузилась, поэтому диффузионные потоки основных носителей преобладает над обратными потоками не основных носителей через переход течет значительный ток.


 


1

2

3

4

с) Область АВ расширились, и потоки неосновных носителей преобладает над диффузионными потоками основных носителей – через переход течет слабый обратный ток.

Кривая зависимости тока I от напряжения U, приложенного к выпрямителю, называются его вольтамперной характеристикой.

Свойства выпрямителей характеризуются коэффициентом выпрямления α, который равен отношению прямого тока Iпр. к обратному Iобр., измеренным при одинаковых по величине прямом и обратном направлениях:

α = Iпр./ Iобр.

Постоянный ток широко используется в технике: подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток. Переменный ток используется преимущественно для более удобной передачи от генератора до потребителя. Иногда в некоторых устройствах постоянный ток преобразуют в переменный ток преобразователями (инверторами).
Лабораторная работа по физике Изучение электронного осциллографа