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
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.
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
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.
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.
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.]
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.
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.