Чудо  - Рациональность - Наука - Духовность

Клуб Исследователь - главная страница

ЖИЗНЕННЫЙ ПУТЬ - это путь исследователя, постигающего тайны мироздания

Чем больше знаешь, тем больше убеждаешься что ни чего не знаешь...

Главная

Библиотека

О клубе
ГАИ "Алтай-Космопоиск"
Путеводитель по Алтаю
Маршруты (походы)
   Туризм

X-files

Наука и технологии

Техника и приборы

Косморитмодинамика

Новости

Фотоальбомы

Видеоальбомы

Карты (треки)

Прогноз погоды

Контакты

Форум

Ссылки, баннеры

 

Наш сайт доступен

на

52 языках

 

 
Если вам понравился сайт, то поделитесь со своими друзьями этой информацией в социальных сетях, просто нажав на кнопку вашей сети.
 
 
 
 
 
  Locations of visitors to this page
LightRay Рейтинг Сайтов YandeG Яндекс цитирования Яндекс.Метрика

 

Besucherzahler

dating websites

счетчик посещений

russian brides

contador de visitas

счетчик посещений

 

 

Здесь

может быть ваша реклама.

 

Наука и технологии

Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов "Эффективная физика"
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  Й  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Щ  Ы  Э  Ю  Я   По связи разделов
Выпрямление тока на контакте полупроводников
Выпрямляющее действие электронно-дырочного перехода в полупроводниках

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 от напряжения (вольт-амперная характеристика р-n-перехода) описывается формулой (1):

 

,  (1)

 

где с - постоянная, не зависящая от температуры и приложенного напряжения;

D- 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 Iи, соответственно, очень мала.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -8 до -5);

Время существования (log tc от -7 до 15);

Время деградации (log td от -8 до -5);

Время оптимального проявления (log tk от -6 до -1).

Диаграмма:

Технические 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.

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 мми 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.

Литература

 1.Физический энциклопедический словарь.- М., 1983.

 2. Сивухин Д.В. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.

Ключевые слова

  • полупроводник
  • p-n переход
  • примесь
  • донор
  • акцептор
  • выпрямление
  • электрон
  • дырка
  • ток
  • основные носители
  • электрическое поле
  • прямое смещение
  • обратное смещение

Разделы естественных наук:

Полупроводники
Электрический ток в твердых телах

Формализованное описание Показать