§ 90. Запирающий слой. Полупроводниковые выпрямители, усилители и термоэлектрические батареи

Весьма важное явление имеет место в зоне контакта двух полупроводников различного типа проводимости — электронного и дырочного Так как в первом из них велика концентрация свободных электронов, а во втором — дырок, то через поверхность соприкосновения полупроводников происходит диффузия свободных электронов из электронного полупроводника в дырочный и диффузия дырок в противоположном направлении В результате пограничный слой со стороны -полупроводника заряжается отрицательно, а со стороны -полупроводника — положительно, зоне контакта образуется «двойной электрический слой» (рис. 198). Возникающее в этом слое электрическое поле напряженностью будет, очевидно, препятствовать дальнейшему переходу электронов в направлении и дырок в направлении В итоге при определенном значении напряженности установится равновесие: прекратятся преимущественные перемещения электронов и дырок в указанных направлениях.

Рис. 198

Толщина слоя имеет порядок см, контактная разность потенциалов в слое — порядок В (для обычно применяемых в

технике полупроводников). Такую разность потенциалов (потенциальный барьер) могут преодолеть только электроны и дырки, обладающие большой кинетической энергией, соответствующей температурам в несколько тысяч Кельвинов. При нормальной температуре слой является непроницаемым — имеющим очень большое сопротивление — для перехода электронов в направлении и дырок в направлении Поэтому пограничный слой I называется запирающим слоем.

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. В самом деле, присоединим к электронному полупроводнику положительный, а к дырочному — отрицательный полюсы источника тока (рис. 199, а). Тогда напряженность внешнего поля совпадающая по направлению с напряженностью еще дальше отодвинет свободные электроны и дырки от места контакта полупроводников. Запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Ток через контакт не пройдет. Точнее говоря, пойдет очень слабый ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводников, так как внешнее поле способствует переходу через запирающий слой неосновных носителей тока: свободных электронов из дырочного полупроводника в электронный и дырок из электронного полупроводника в дырочный. Но концентрации свободных электронов в дырочном полупроводнике и дырок в электронном полупроводнике весьма малы. Поэтому в данном случае ток будет пренебрежимо малым. Направление практически не пропускающее тока, называется запирающим.

Рис. 199

Изменим полярность приложенного внешнего напряжения (рис. 199, б). Тогда напряженность внешнего поля направленная противоположно напряженности будет перемещать свободные электроны и дырки навстречу друг другу. Запирающий слой сузится и его сопротивление уменьшится. При определенном значении приложенного внешнего напряжения сопротивление запирающего слоя станет равным сопротивлению самих полупроводников (запирающий слой исчезнет). Через полупроводники пойдет сильный ток. Направление пропускающее ток, называется пропускным.

Таким образом, запирающий слой обладает вентильной проводимостью, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока, подобно диоду в ламповом выпрямителе (см. § 88). Зависимость

силы тока через полупроводниковый диод от приложенного напряжения изображена на рис. 200. Ветвь кривой соответствует пропускному току, ветвь слабому обратному току собственной проводимости полупроводников. В электрорадиотехнике наиболее распространены меднозакисные, селеновые, германиевые и кремниевые диоды.

Рис. 200

Рис. 201

На рис. 201 представлена принципиальная схема меднозакисного (купроксного) выпрямителя. На медную пластину наращен слой закиси меди Часть меднозакисного слоя, прилежащая к медной пластине, обогащается примесью меди и становится электронным полупроводником. Наружная часть меднозакисного слоя обогащена (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом и является дырочным полупроводником. Поэтому в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от закиси меди к меди

Рис. 202

Из полупроводников изготовляются и триоды, называемые транзисторами. Транзистор состоит из трех полупроводниковых пластин (рис. 202). Крайние пластины называемые соответственно эмиттером и коллектором, имеют дырочную проводимость; средняя пластина О, называемая основанием, имеет электронную проводимость. Очевидно, что в транзисторе образуются два запирающих (во взаимно противоположных направлениях) слоя: один — между эмиттером и основанием, другой — между коллектором и основанием.

На рис. 202 представлена простейшая схема транзисторного усилителя слабых колебаний напряжения. Батарея включена между основанием и коллектором в запирающем направлении (минус на -полупроводнике) и потому

не должна вызывать тока в коллекторе. Батарея включена между эмиттером и основанием в пропускном направлении (плюс на -полупроводнике); под ее влиянием дырки из эмиттера перемещаются в основание. Затем эти дырки свободно проходят через запирающий слой между основанием и коллектором, поскольку, как уже отмечалось, для дырок -полупроводника переход является пропускным. В результате в цепи батареи возникает ток.

Таким образом, эмиттер «впрыскивает» дырки в основание (подобно тому, как катод электронной лампы впрыскивает электроны в пространство между катодом и анодом), а коллектор «отсасывает» эти дырки из основания (подобно тому, как анод лампы отсасывает электроны). Транзистор имеет очень тонкое основание (его толщина порядка см). Это необходимо для того, чтобы дырки переходили из основания в коллектор, не успев воссоединиться со свободными электронами основания.

Напряжение приложенное между эмиттером и основанием, играет роль сеточного напряжения лампового усилителя (см. рис. 194). Оно может увеличивать или уменьшать поток дырок из эмиттера в основание (в зависимости от того, в каком направлении — пропускном или запирающем — оно приложено). Поэтому в случае колеблющегося напряжения всякое его изменение ведет к изменению концентрации дырок в основании, что в свою очередь вызывает соответствующее изменение тока в цепи коллектора и изменение напряжения на резисторе Так как (сопротивление велико), то Таким образом, слабое колебание напряжения в цепи эмиттера вызывает сильное колебание напряжения на выходном сопротивлении цепи коллектора.

Полупроводниковые диоды и триоды могут иметь весьма малые размеры (порядка 1 см и менее), не нуждаются в нагреве (накале), просты по устройству, механически прочны, имеют большой срок службы. Поэтому они успешно конкурируют с электронными лампами

Еще одним важным полупроводниковым прибором, основанным на действии запирающего слоя, является полупроводниковый фотоэлемент. С ним мы познакомимся при изучении внутреннего фотоэффекта (см. § 136).

В § 87 отмечалось, что термоэлектродвижущая сила полупроводниковых термопар значительно больше, чем металлических. Теперь, после ознакомления с основными свойствами полупроводников, это различие нетрудно понять.

Если стержень из электронного полупроводника нагревать с одного конца и охлаждать с другого, то в горячем конце повысится концентрация свободных электронов (см. § 89). К тому же эти электроны будут иметь повышенную кинетическую энергию. Поэтому начнется преимущественный перенос электронов в направлении падения температуры, в ходе которого горячий конец стержня будет заряжаться положительно, а холодный — отрицательно (попутно отметим, что стержень из дырочного полупроводника приобретает за счет преимущественного переноса дырок на холодный конец противоположную полярность: его горячий конец заряжается отрицательно, а холодный — положительно). Возникающее при этом внутри полупроводника электрическое поле препятствует дальнейшему преимущественному переносу электронов на холодный конец стержня. В результате установится равновесное состояние при определенной для данного

полупроводпика разности потенциалов (термоэлектродвижущей силе) между концами стержня. Существенно, что у металлического стержня подобного эффекта не будет, так как концентрация свободных электронов в металлах практически не зависит от температуры. Поэтому очевидно, что в замкнутой термопаре, составленной из металла и электронного полупроводника, возникает ток, направленный в металле от горячего (положительно заряженного) спая к холодному (рис. 203).

Рис. 203

Можно также составить термопару из двух полупроводниковых стержней — электронного и дырочного. Очевидно, что термоэлектродвижущие силы, возникающие в каждом из этих стержней, суммируются, поскольку, как уже отмечалось, нагреваемые концы электронного и дырочного полупроводников заряжаются разноименно.

Термоэлектр о движ ущая сила полупроводниковых термопар составляет около 0,1 В на 100 К разности температур (примерно в 100 раз больше, чем у металлических термопар), а их коэффициент полезного действия доходит до 8% (примерно в 80 раз больше, чем у металлических термопар). Это позволяет использовать полупроводниковые термопары не только для измерения температуры, но и в качестве генераторов тока, непосредственно преобразующих теплоту в электричество.

Рис. 204

На рис. 204, а изображен термоэлектрогенератор представляющий собой надетую на стекло керосиновой лампы кольцеобразную термобатарею, составленную из большого числа полупроводниковых термопар, расположенных радиально; устройство термобатареи схематически показано на рис. 204, б. Внутренние (обращенные к стеклу) спаи термопар нагреваются до 570 К, внешние спаи имеют температуру около 330 К. Термоэлектрогенератор успешно применяется для питания радиоприемников. Более мощный термоэлектрогенератор нагреваемый керогазом, используется для питания колхозных и совхозных приемопередающих радиостанций «Урожай».

Эффект Пельтье (см. § 87) также выражен у полупроводниковых батарей значительно резче, чем у металлических. Поэтому полупроводниковые холодильники оказываются экономически выгодными. Устройство такого холодильника очень простое. В стенку теплоизолированного шкафа вмонтирована полупроводниковая термобатарея, у которой все охлаждающиеся (при пропускании тока) спаи находятся внутри шкафа, а все нагревающиеся спаи — снаружи. Внутренние спаи охлаждают воздух в холодильнике, а наружные спаи нагревают окружающую среду. На этом принципе устроен, например, бытовой холодильник «Днепр». Очевидно, что при пропускании тока через термобатарею холодильника в противоположном направлении холодильник превратится в нагревательную установку — сушильный шкаф.

Ограничиваясь пока этими примерами практического использования полупроводников, отметим, что полупроводники позволяют просто и экономично разрешать многие технические и научные проблемы. Этим объясняется большое и быстро возрастающее значение полупроводниковых приборов в народном хозяйстве.