Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
3. Допустим теперь, что наложено внешнее электрическое поле Е, направленное от электронного полупроводника к дырочному, т. е. одинаково с контактным полем Ек. Ввиду большого сопротивления переходного слоя практически вся разность потенциалов, соответствующая наложенному полю, сосредоточится внутри переходного слоя, так что поле Е внутри слоя может быть очень сильным. Такое поле усиливает контактное поле Ек и тем самым еще больше уменьшает концентрацию дырок и электронов проводимости в переходном слое. Сопротивление последнего еще больше возрастет. Практически ток через контакт не пойдет. Не то будет, когда внешнее поле Е направлено против контактного поля Ек. Достаточно уже небольшого поля Е, чтобы оно компенсировало поле Ек. Тогда электроны проводимости и дырки будут беспрепятственно проникать в переходный слой, и сопротивление последнего практически исчезнет. Ток через контакт будет проходить. 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 он направлен от дырочного проводника к электронному. На этом принципе работают полупроводниковые выпрямители.
К этому надо добавить, что в любом полупроводнике, помимо основных носителей тока, имеется относительно малое количество неосновных (см. конец § 100). В электронных полупроводниках, помимо электронов проводимости, есть и дырки, а в дырочных — электроны. Очевидно, если внешнее поле Е направлено от элек-
§ 108]
ВЫПРЯМЛЯЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
497
тронного к дырочному полупроводнику, то оно делает беспрепятственным проникновение в переходный слой неосновных носителей. В этом случае через контакт не идет ток основных носителей, но идет ток неосновных носителей. Однако, ввиду относительно малой концентрации последних, этот ток также мал.
4. Полупроводниковые выпрямители с успехом заменяют выпрямительные устройства старых систем. Эти выпрямители отличаются высокими к. п. д., малыми габаритами и невысокой стоимостью. Существует много различных систем полупроводниковых выпрямителей. Не останавливаясь на этом вопросе, опишем кратко устройство одного из типов германиевого выпрямителя. Он состоит из пластинки германия с электронной проводимостью, в которую с одной стороны вварен шарик индия, а с другой — шарик олова. Оловянный шарик служит только электродом для включения выпрямителя в цепь. Индий же играет принципиальную роль, сообщая германию дырочную проводимость. При нагревании в процессе сварки индий диффундирует в германий, вследствие чего вблизи индиевого электрода возникает дырочная проводимость, а на некоторой глубине — выпрямляющий р - п-переход. Такие выпрямители при площади контакта ^ 1 мм2 и напряжении 1 В пропускают токи больше 1 А, причем пропускаемые токи обратного направления обычно не превышают нескольких микроампер. При площади контакта в несколько квадратных сантиметров германиевые и кремниевые выпрямители могут пропускать токи в несколько сотен ампер, хотя они свободно умещаются на ладони руки. Их пробойные напряжения достигают многих сотен и даже нескольких тысяч вольт.
Полупроводниковые выпрямители, как и все полупроводниковые приборы, применяются не только для выпрямления обычных технических токов. В частности, полупроводниковые приборы нашли широкие применения в радиотехнике, для выпрямления и преобразования электрических колебаний высокой частоты, для усиления и генерации электрических колебаний, в счетно-решающих электронных устройствах и т. п. Они в значительной степени вытеснили из радиотехники электронные лампы. Без них было бы невозможно решение множества научно-технических задач. Применение полупроводников — необъятная область, которой посвящены специальные курсы. Однако в задачу настоящей книги не входит изложение практических применений полупроводников.
ГЛАВА IX ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ГАЗАХ
* *
§ 109. Ионизация и рекомбинация
1. Газы в нормальном состоянии, в том числе и пары металлов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и по этой причине не проводят электричества. Проводниками электричества могут быть только ионизованные газы. Помимо нейтральных молекул и атомов в них содержатся электроны, положительные и отрицательные ионы. Ионы в газах могут возникать под действием высоких температур, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей, лучей радиоактивных элементов, космических лучей, в результате столкновений атомов газа с электронами и другими быстрыми элементарными и атомными частицами и т. д. Во всех этих случаях происходит вырывание из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов. Этот процесс называется ионизацией. Он приводит к освобождению электронов и образованию положительных ионов. Освободившиеся электроны могут присоединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы. Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества. Впрочем, и в нормальных условиях газы, например воздух, обладают электрической проводимостью, хотя и весьма ничтожной. Эта проводимость вызвана излучением радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли, а также космическими лучами, приходящими на Землю из мирового пространства. Электрическая проводимость воздуха была обнаружена еще Кулоном (1785). Наблюдая потери электричества с изолированных проводников, он пришел к заключению, что часть электричества теряется не через изоляторы, а прямо в воздух. Это заключение с особой убедительностью было подтверждено Бойсом (1889). Подвесив золотые листочки электроскопов к двум цилиндрам из кварца, из которых один был коротким и толстым, а другой — длинным и тонким, он наблюдал, что в обоих случаях потеря электричества была одинакова. Это было бы не так, если бы электричество уходило с листочков только через кварцевые цилиндры. Систематическое изучение электрических токов и разрядов в газах было начато лишь в конце 19 века. Была установлена природа газовых разрядов в различных условиях. Однако, ввиду сложно-
