Физики – Электродинамика, Электротехника

Выполнил:

Шевелёв В.А.

Рязань 2021

Пришло время перейти от пассивных элементов к активным. Все пассивные элементы, их разновидность, их структура, физические явления и электрические цепи, которые строятся на их основе, были представлены, рассмотрены в прошлых статьях. Все прошлые статьи, начиная с первой и по третью, (все 4 части третьей статьи) были посвящены природе пассивных элементов. Для того чтобы говорить об активных элементах нужно понять, что такое p – n переход. Ведь работа любого активного элемента заключается на свойствах p – n перехода.

В прошлых статьях уже писал, в чём разница между пассивными и активными элементами. Повторюсь, пассивные элементы – элементы, которые не усиливают сигнал, они предназначены для других его обработок. Активные же элементы направлены по большей части именно на усиление сигнала и это усиление отчасти происходит за счёт p – n перехода. Также все рассмотренные мной пассивные элементы в прошлых статьях, являются линейными. Повторюсь, что линейные те, которые имеют линейную ВАХ. Что такое ВАХ уже писал, смотрите в статье 3.1. Говоря про активные элементы, про p – n переход нужно сразу понимать, что речь идёт про нелинейную ВАХ, и в частности та или иная особенность работы активного элемента очень хорошо объясняется по нелинейности ВАХ.

p – n переход, также называют электронно-дырочным переходом. Что за дырки? – Спросите вы. Давайте разбираться. Именно электроны образуют электрический ток, то есть они являются носителями заряда. Дырки тоже являются носителями заряда. И природу дырок мы рассмотрим чуть позже.

Когда говорим про активные элементы, то речь идёт о полупроводниковых материалах, к примеру, кремний или германий.

Классификация твёрдых тел:  

- проводники

- диэлектрики

- полупроводники

Понятно, что проводники – это материалы, которые пропускают электрический ток. Диэлектрики не пропускают из-за отсутствия свободных электронов в структуре их кристаллической решётки. Полупроводники же – это материалы, которые пропускают электрический ток, но в сравнении с проводниками, они делают это хуже. Зато есть сильная особенность, которая была открыта не сразу. Если в вещество полупроводника добавить постороннее вещество с другим количеством электронов, то полупроводники начинают проводить электрический ток даже намного лучше, чем просто проводники. Такое добавление постороннего вещества называется легированием. А сам полупроводник в таком случае не является уже чистым, его называют примесным, то есть в него добавили примеси.

Рассмотрим, как влияет на проводимость легирование на примере кремния и германия. Будем в них вводить атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. Кремний имеет валентность 4, если мы вводим в него бор, валентность которого равна 3, то для образования ковалентной связи не будет хватать электрона. И для того, чтобы заполнить эту нехватку (пустоту) заимствуется соседний ближайший электрон даже несмотря на то, что он находится в связи. На месте этого электрона возникает дырка, на место которой потом также притянется соседний к ней электрон, и так будет происходить дальше по цепочке. Очевидно, что фактически никакой дырки-то и нет, это абстрактное название. По сути, дырка – это место, которое покинул электрон и это место приобретает такой же заряд, как и электрон по модулю, но противоположный по знаку. Получается, что электрон, покинув атом, образовал дырку, эта дырка притянула к себе другой электрон, на месте которого также образовалась дырка. Этот процесс называется движением дырок. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью, а полупроводник называют полупроводником p типа и основными носителями заряда являются дырки.

Следующий пример. Введём в германий мышьяк, валентность которого равна 5. В итоге у нас один свободный электрон, который при передаче ему энергии отщепляется от атома, то есть становится свободным, вследствие чего и возникает проводимость. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи, следовательно, дырка не возникает. Такая проводимость называется электронной проводимостью, а проводник называется проводником n типа и основными носителями заряда являются электроны.  

Теперь мы знаем про полупроводники p типа и n типа, знаем, как они появляются. Теперь можно перейти к самому p – n переходу. Ведь очевидно, что данный переход возникает при соприкосновении полупроводников с различной проводимостью. Соединим полупроводник p типа с полупроводником n типа.

                                      Рисунок 1      

Что происходит при соприкосновении этих двух полупроводников!? Понятное дело, что происходит диффузия, то есть взаимное проникновение частиц. В данном случае, полупроводник p типа имеет большую концентрацию дырок и малую концентрацию электронов. Когда же полупроводник n типа наоборот. Электроны и дырки имеют разный по знаку заряд, потому они притягиваются друг к другу. То есть электроны из n области переходят в p, а дырки наоборот. Вблизи границы между этими областями, эта граница и есть контакт соприкосновения полупроводников двух типов, часть электронов и дырок сталкиваются друг с другом, образуя объёмный заряд, причём объёмный заряд в области p отрицательный, а объёмный заряд в области n положительный. Визуально это выглядит следующим образом:    

                                        Рисунок 2

То есть получается, что дальнейший переход дырок из p области в n область не происходит, и переход электронов из n области в p область также не происходит. Потому что объёмные заряды этому препятствуют. Они порождают внутреннее электрическое поле, направленное от + к -, которое и препятствует этому переходу. Таким образом, возникает своего рода потенциальный барьер.

Прежде чем рассматривать следующие явления p – n перехода посмотрим на зависимости, концентраций и удельного сопротивления от координаты x 

До соприкосновения полупроводников:

                                    Рисунок 3

При соприкосновении:

                                     Рисунок 4

Пояснение к рисункам

До прикосновения, всё очевидно, что концентрация дырок велика в p области и мала в n области. Концентрация электронов же наоборот. А удельное сопротивление, разумеется, там и там мало, так как концентрация велика.

При соприкосновении полупроводников происходит переход, электроны, переходя в p область, а дырки в n область. И по графику видно, что этот переход на границе, то есть на зоне соприкосновения полупроводников, приводит к тому, что вблизи границы возникает область с малой концентрацией электронов и дырок. Раз концентрация там мала, то, следовательно, что там велико удельное сопротивление. И это сопротивление впоследствии возникновения объёмных зарядов лишь увеличится.

Рассмотрим включения p – n перехода. Есть два включения. Прямое включение и обратное.

                  Рисунок 5 – Прямое включение.

При таком включении к переходу подключён внешний источник питания, где «+» подключён к p области, а «-» к n области, то есть «+» к «+», а «-» к «-». В результате этого возникает внешнее электрическое поле, которое направлено в противоположную сторону от  внутреннего. Это приводит к тому, что внешнее поле компенсирует внутреннее и потенциальный барьер уменьшается, следовательно, возможен дальнейший переход дырок в n область, а электронов в p область и через такой p – n переход протекает электрический ток.  

                      Рисунок 6 – Обратное включение.

При таком включении к переходу подключён внешний источник питания, где «+» подключён к n области, а «-» к p области, то есть «+» к «-», а «-» к «+». В результате этого возникает внешнее электрическое поле, которое направлено в ту же сторону, что и внутреннее. Это приводит к тому, что внешнее поле суммируется с внутренним и потенциальный барьер увеличивается, следовательно, такой p – n переход не пропускает электрический ток совсем. Отсюда главное свойство p – n перехода, это его однонаправленность, то есть он пропускает электрический ток только в одном направлении. На этом свойстве основана работа такого полупроводникового элемента, как диод. Его мы рассмотрим в следующей статье.