Задания 1–7, стр. 390 — Физика, 10 класс, Физика Мякишев · ГДЗ
Физика · 10 КЛАСС

Задания 1–7 — Глава 16. § 117. Электрический ток через контакт…

Страница 390 · Физика Мякишев 10 класс

Глава 16. § 117. Электрический ток через контакт полупроводников с разным типом проводимости. Транзисторы — с. 390

§ 117. Вопрос 1. Что происходит в контакте двух проводников п- и р-типов?
В n-полупроводнике много свободных электронов, в р-полупроводнике — много дырок. Из-за разности концентраций электроны диффундируют из n-области в р-область, а дырки — из р-области в n-область, и вблизи границы они рекомбинируют. В тонком слое по обе стороны от границы свободных носителей почти не остаётся: в n-области остаются неподвижные положительные ионы доноров, в р-области — неподвижные отрицательные ионы акцепторов. Возникает двойной электрический слой и контактное электрическое поле Eк, направленное от n-области к р-области. Оно тормозит дальнейшую диффузию основных носителей, и наступает динамическое равновесие: ток через контакт без внешнего напряжения не идёт.
§ 117. Вопрос 2. Что такое запирающий слой?
Запирающий слой — это узкая область вблизи границы р—n-перехода, обеднённая свободными носителями заряда (электронами и дырками). В нём находятся только неподвижные ионы примесей, поэтому его удельное сопротивление очень велико. Контактное поле этого слоя не позволяет основным носителям переходить через границу. При обратном включении внешнего напряжения слой расширяется, и ток через переход практически не идёт.
§ 117. Вопрос 3. Какой переход называют прямым?
Прямым называют р—n-переход, включённый в цепь так, что к р-области присоединён положительный полюс источника, а к n-области — отрицательный. Внешнее поле направлено против контактного, суммарная напряжённость E = Eк − Eвнеш уменьшается, запирающий слой сужается, и основные носители (электроны из n-области, дырки из р-области) свободно проходят через переход. Сопротивление перехода мало и убывает с ростом напряжения, сила тока быстро растёт.
§ 117. Вопрос 4. Для чего служит полупроводниковый диод?
Полупроводниковый диод содержит один р—n-переход и пропускает ток в одном (прямом) направлении, а в обратном практически не пропускает: сопротивление перехода в прямом направлении много меньше, чем в обратном. Поэтому диод служит для выпрямления переменного тока, выделения сигналов низкой частоты в детекторах радиоприёмников, защиты цепей от неправильного подключения источника. Светодиоды (в том числе в светофорах) при прямом токе излучают свет за счёт рекомбинации электронов и дырок.
§ 117. Вопрос 5. Почему база транзистора должна быть узкой?
Дырки, инжектированные из эмиттера в базу, являются там неосновными носителями и существуют до рекомбинации с электронами базы. Если база тонкая (несколько микрометров) и электронов в ней мало, то почти все дырки успевают за счёт диффузии дойти до коллекторного перехода, не рекомбинировав, и попадают в коллектор. Если бы база была широкой, большая часть носителей рекомбинировала бы в ней, ток коллектора был бы мал и усиления не получилось бы.
§ 117. Вопрос 6. Как надо включать в цепь транзистор, у которого база является полупроводником р-типа, а эмиттер и коллектор — полупроводниками п-типа?
Это транзистор типа n—p—n, и схему для него надо взять зеркальной по полярности относительно схемы р—n—р. Переход эмиттер—база включают в прямом направлении: эмиттер (n) присоединяют к отрицательному полюсу источника Б1, базу (р) — к положительному. Переход база—коллектор включают в обратном направлении: коллектор (n) присоединяют через нагрузочный резистор R к положительному полюсу источника Б2, а база соединена с его отрицательным полюсом. Основными носителями тока в таком транзисторе служат электроны, инжектируемые эмиттером в базу.
§ 117. Вопрос 7. Почему сила тока в коллекторе почти равна силе тока в эмиттере?
Носители, инжектированные эмиттером в очень тонкую базу, почти не рекомбинируют в ней и за счёт диффузии доходят до коллекторного перехода. Поле обратно включённого перехода база—коллектор для этих неосновных в базе носителей является ускоряющим, и они втягиваются в коллектор. Лишь малая часть носителей рекомбинирует в базе или уходит по цепи базы, потому что сечение базы для вывода тока мало. Поэтому Iк лишь немного меньше Iэ: Iэ = Iк + Iб, где Iб очень мал.
§ 117. Образец заданий ЕГЭ, задание 1. Выберите фамилию нашего соотечественника, получившего Нобелевскую премию за исследование полупроводников, использующихся в лазерах, средствах мобильной связи.
1) Басов 2) Прохоров 3) Гинзбург 4) Алфёров
Нобелевскую премию по физике 2000 г. Ж. И. Алфёров получил за разработку полупроводниковых гетероструктур для высокочастотной электроники и оптоэлектроники (лазеры, светодиоды, мобильная связь). Басов и Прохоров получили премию (1964) за создание квантовых генераторов и усилителей (мазеров, лазеров), Гинзбург (2003) — за теорию сверхпроводников и сверхтекучести.
Ответ: 4. Алфёров.
§ 117. Образец заданий ЕГЭ, задание 2. Идеальный р—n-переход присоединён через металлические контакты к источнику тока так, что к р-полупроводнику присоединена отрицательная клемма источника. Если током неосновных носителей зарядов пренебречь, то ток
1) в р-области перехода обеспечивается в основном движением дырок, в n-области — электронов
2) в р-области перехода обеспечивается в основном движением электронов, в n-области — дырок
3) в р-области и n-области перехода обеспечивается в равной степени движением дырок и электронов
4) в р-области и n-области перехода не идёт
Если к р-области присоединён минус источника, а к n-области плюс, то переход включён в обратном направлении. Внешнее поле совпадает по направлению с контактным, запирающий слой расширяется, и основные носители заряда не могут пройти через переход. Ток могли бы создать только неосновные носители, но по условию ими пренебрегаем. Значит, тока ни в р-области, ни в n-области нет.
Ответ: 4) в р-области и n-области перехода не идёт.
§ 117. Образец заданий ЕГЭ, задание 3. Чему примерно равна концентрация носителей заряда в полупроводнике р-типа, если он получен добавлением трёхвалентного металла в германий (число атомов примеси составляет 0,01% от числа атомов германия в кристалле). Собственной проводимостью германия можно пренебречь, плотность его считайте равной 5400 кг/м³. Молярная масса германия 0,0725 кг/моль.
Каждый атом трёхвалентной (акцепторной) примеси создаёт одну дырку, поэтому концентрация дырок равна концентрации атомов примеси: p = n_пр = 0,01% · n_Ge = 10⁻⁴ · n_Ge.
Концентрация атомов германия: n_Ge = ρ·N_A/M = 5400 кг/м³ · 6,02·10²³ моль⁻¹ / 0,0725 кг/моль ≈ 4,5·10²⁸ м⁻³.
Тогда p ≈ 10⁻⁴ · 4,5·10²⁸ ≈ 4,5·10²⁴ м⁻³.
Ответ: примерно 4,5·10²⁴ м⁻³.
§ 117. Образец заданий ЕГЭ, задание 4. В цепи, изображённой на рисунке, сопротивление диодов в прямом направлении пренебрежимо мало, а в обратном многократно превышает сопротивление резисторов. При подключении к точке А положительного полюса, а к точке В отрицательного полюса батареи с ЭДС 12 В и пренебрежимо малым внутренним сопротивлением потребляемая мощность равна 7,2 Вт. При изменении полярности подключения батареи потребляемая мощность оказалась равной 14,4 Вт.
Укажите условия прохождения тока через диоды и резисторы в обоих случаях и определите сопротивление резисторов в этой цепи.
[рисунок: между точками А (вверху) и В (внизу) включены две параллельные ветви. Левая ветвь: диод, последовательно с ним резистор R1; диод нарисован остриём треугольника вверх, к точке А. Правая ветвь: диод, последовательно с ним резистор R2; диод нарисован остриём треугольника вниз, к точке В.]
Диод пропускает ток по направлению стрелки (от основания треугольника к острию). Левый диод пропускает ток от В к А, правый — от А к В.
1) Плюс батареи на А, минус на В. Левый диод закрыт (его сопротивление много больше сопротивления резисторов), ток через R1 не идёт. Правый диод открыт, и ток идёт через него и резистор R2. Мощность P₁ = U²/R2, откуда R2 = U²/P₁ = 12² В² / 7,2 Вт = 144/7,2 = 20 Ом.
2) Полярность изменена: плюс на В, минус на А. Теперь закрыт правый диод, ток через R2 не идёт; левый диод открыт, ток идёт через него и резистор R1. P₂ = U²/R1, откуда R1 = U²/P₂ = 144/14,4 = 10 Ом.
Ответ: в первом случае ток идёт только через правый диод и R2, во втором только через левый диод и R1; R1 = 10 Ом, R2 = 20 Ом.