Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
В полупроводниках, содержащих значительное количество примесей, электроны не могут двигаться так же свободно, как в чистом кристалле проводника: пройдя небольшое расстояние, они тут же натыкаются на нерегулярность в кристаллической решетке, и им приходится менять направление. Чтобы получить хоть какое-то подобие свободного движения, какое возникает в идеально чистом кристалле с регулярной структурой, нужно пользоваться очень чистыми полупроводниками. Полупроводники высокой чистоты и весьма совершенные монокристаллы абсолютно необходимы для изготовления хороших транзисторов.
Существует целый ряд способов очистки кремния и германия. Весьма совершенные монокристаллы можно получить следующим образом: маленький «затравочный» кристаллик нужно привести в соприкосновение с кремниевым или германиевым расплавом, температура которого как раз совпадает с точкой плавления. Если затем затравочный кристаллик медленно вытягивать из расплава, то из жидкости станет расти кристаллический стержень. Получающийся полупроводник может оказаться либо я-типа, либо р-типа. Стоит отметить, что примесей в таком кристалле всегда гораздо меньше, чем в расплаве.
106 Диод из полупроводника
Допустим, что из расплавленного в тигле исходного материала образуется кристалл п-типа (мы ведь всегда можем подмешать в расплав достаточное количество примеси я-типа, чтобы именно она оказалась преобладающей). Теперь представим себе, что методом вытягивания из расплава мы уже вырастили половину кристаллического стержня. Добавим в этот момент к расплаву примесь р-типа, причем в таком количестве, чтобы
Тон течет
Тока нет
Фиг. 26.
она стала преобладающей во второй половине выращиваемого кристалла. В этом случае вторая половина будет уже р-типа. При таком методе выращивания в кристалле образуется так называемый рп-переход, то есть стык полупроводниковых материалов двух типов в одном и том же кристалле. Такой переход может работать в качестве выпрямителя тока. Иначе говоря, через рп-переход электрический ток может протекать только в одном направлении.
Действие рп-перехода иллюстрируется фиг. 26 (слева). Если положительный полюс батареи соединить с половиной кристалла р-типа, а к другому концу кристалла, который является уже полупроводником я-типа, подключить отрицательный полюс, то по кристаллу и через переход будет'течь электрический ток. В заполненной зоне кристалла р-типа имеются дырки; они могут переместиться на соответствующую полностью заполненную зону в материале я-типа (на самом деле, конечно, движутся электроны, причем с целиком заполненной зоны в материале я-типа в материал р-типа, замещая дырки в соот-
5*
107 ветствующей зоне). Кроме того, электроны могут переходить из почти незаполненной зоны в материале я-типа в соответствующую, но совершенно свободную зону в кристалле р-типа.
Что произойдет, если к кристаллу р-типа подключить отрицательный полюс батареи, а положительный — к кристаллу я-типа (см. фиг. 26)?
Тока не будет! Направление электрического поля в этом случае таково, что дырки из заполненной зоны в кристалле я-типа должны были бы переместиться на соответствующую почти заполненную зону в материале р-типа, но ведь в я-материале нет дырок. В то же время направление поля таково, что электроны должны были бы переходить из незаполненной зоны в кристалле р-типа на соответствующую почти незаполненную зону в кристалле я-типа, но электронов в пустой зоне в кристалле р-типа тоже нет. Значит, тока не будет (или почти не будет).
Германиевые и кремниевые диоды — чрезвычайно полезные приборы. Они используются в электронных вычислительных машинах, в нелинейных схемах, выполняющих, например, такие задачи, как преобразование частоты в супергетеродинных приемниках. Используются такие диоды и в параметрических усилителях, о которых мы расскажем дальше. Солнечные батареи, превращающие энергию солнечного света в электрическую, необходимую для питания разнообразных приборов, установленных на искусственных спутниках Земли и космических летательных аппаратах, выполнены именно на полупроводниковых диодах с ря-переходами.
Теперь мы перейдем к другому исключительно важному прибору, в котором имеется уже не один, а два ря-пе-рехода.
Полупроводниковый триод
На фиг. 27 изображена схема включения транзистора— полупроводникового триода. Сам транзистор состоит из кусочка полупроводникового кристалла я-типа, очень тонкого слоя кристалла р-типа, за которым следует еще один участок кристалла я-типа (расположение этих трех участков хорошо видно на рисунке). При правильном подключении 'батареи область я-типа оказывается
108 электрически положительной по отношению к области р-типа и ток не может течь из области р-типа (выполняющей роль входного электрода) в область я-типа, выполняющую роль выходного электрода. Благодаря подключению второй батареи область р-типа приобретает очень небольшой положительный потенциал относительно левой области я-типа, так что возникает ток электронов из левой половины я-типа в область р-типа и одновременно ток небольшого числа дырок из области р-типа в
