§ 275. Запирающие слои

Граница металла и полупроводника, а также граница двух полупроводников может в ряде случаев обладать выпрямляющим действием. Поскольку переход от одного тела к другому при их тесном контакте (сваривании, сплавлении) занимает хотя и очень тонкий, но все же конечный по толщине участок, принято говорить о запирающем слое. Такой слой можно создать на границе меди и закиси меди, на границе селена и селенистого кадмия. Исследования показали, что запирающий слой между двумя полупроводниками возникает в том случае, если один из полупроводников принадлежит к p-типу, а другой — к n-типу. Такие запирающие слои называют границами p - n.

Рис. 306.

Рис. 306 иллюстрирует выпрямление, даваемое запирающими слоями. На нем приведена типичная кривая зависимости силы тока от напряжения. Правая ветвь кривой называется пропускным током, левая — запирающим. Пропускной ток быстро растет с напряжением, запирающий — почти не меняется, остается все время крайне слабым.

Какое же направление тока является пропускным? Исследования показали, что на p - n-границе пропускной ток идет от дырочного полупроводника через границу к электронному. Это значит, что дырки стремятся к электронам и, наоборот, электроны продвигаются в сторону повышенной концентрации дырок. Запирающему току соответствует такое направление, при котором дырки и электроны расходятся от границы.

Что же касается границы металл — полупроводник, то там, видимо, дело обстоит следующим образом. Если с металлом граничит полупроводник дырочного типа (медь — закись меди), то пропускным направлением тока является направление от закиси меди к меди. Это представляется естественным: в полупроводнике нет

свободных электронов, в металле они имеются в избытке; электроны переходят из металла в полупроводник.

Свойства запирающих слоев нашли себе широкое применение в промышленности выпрямителей. Уже давно производятся купроксные выпрямители (медь — закись меди), селеновые выпрямители. В последнее время широкое применение получают крошечные выпрямители, сделанные из германия или кремния, — кристаллические диоды. Введением примесей в германий или кремний можно превратить его в проводник p-типа или n-типа. Кристаллический диод представляет собой маленький кристаллик германия (кремния), одна часть которого содержит примеси акцепторного типа, а другая — примеси донорного типа.

Рис. 307.

Интересны также кристаллические триоды, представляющие собой полупроводящую систему типа p - n - p или n - p - n. Если к трем участкам этого крошечного триода (размеры кристаллических «ламп» порядка сантиметра) припаять три провода, то такую систему можно включать в цепь для тех же целей, что и трехэлектродную лампу. На два крайних конца накладывается напряжение — один конец служит анодом, другой — катодом. Третий отвод играет роль сетки. В такой системе полупроводников оказалось два запирающих слоя, включенных друг навстречу другу. Поэтому она и играет роль трехэлектродной лампы. Параллель между работой кристаллического и обычного триодов поясняет рис. 307.

Другое важное использование запирающих слоев — для изготовления фотоэлементов, работающих без источника напряжения. Если на поверхность полупроводника нанесен тонкий слой металла, то создается запирающий слой. Слой металла может быть настолько тонким, что свет свободно пройдет через него. Под действием прошедшего сквозь металл света в полупроводнике происходит внутренний фотоэффект. Ввиду наличия запирающего слоя освободившиеся электроны вынуждены начать направленное движение. Замкнув цепь, мы получим электрический ток.

На этом принципе могут быть изготовлены меднозакисные и селеновые фотоэлементы. У нас с успехом применяются отечественные сериисто-таллиевые фотоэлементы, дающие ток короткого замыкания порядка микроампер на люмен. Фотоэлементы такого типа обладают коэффициентом полезного действия превращения световой энергии в электрическую порядка И здесь существенный переворот вносят запирающие р - n-слои из кремния и германия. Они позволяют изготовлять фотоэлементы с коэффициентом полезного действия порядка 10%. Открытие этой новой возможности делает вполне реальной задачу технического использования солнечной Энергии.