Тема 9. Контактные и термоэлектрические явления (стр. 4 )

       На рис. 9.8 изображена вольт-амперная характеристика перехода. Правая ветвь графика характеризует зависимость силы тока через переход от величины пропускающего напряжения, левая ветвь – от запирающего напряжения.  На рисунке видно, что при увеличении пропускающего напряжения сила тока быстро увеличивается. Если

                       

                                               Рис. 9.8

увеличивать запирающее напряжение, то вначале сила тока невелика и почти не изменяется. Выше уже говорилось о том, что в этом случае ток обусловлен движением через переход неосновных носителей. Если же запирающее напряжение достигнет определенной величины, характерной для каждой комбинации полупроводников, образующих переход, наступает его разрушение (пробой), и сила тока резко возрастает.

       Рассмотренное выше свойство перехода, как и  аналогичное свойство электровакуумного диода,  называется односторонней проводимостью; как уже отмечалось, оно может использоваться для выпрямления синусоидального переменного тока. Для этого переход, выполненный конструктивно в виде полупроводникового диода,  включается в электрическую цепь. В течение одного полупериода, когда на переход подано пропускающее напряжение, ток проходит через диод, в течение другого полупериода, когда диод заперт, ток не проходит.

       Для усиления мощности тока используются полупроводниковые триоды – транзисторы. Его основным элементом является кристалл, в котором созданы три области с проводимостью различного типа. В зависимости от порядка, в котором они чередуются, различаются   и    транзисторы. Средняя часть каждого из этих  транзисторов называется базой, к ней  с обеих сторон примыкают две  области, которые называются эмиттером и коллектором. На рис. 9.9 транзистор  включен в схему усилителя мощности. При таком подключении источников тока переход эмиттер-база открыт, переход база-коллектор – закрыт.

                       

                                               Рис. 9.9

Небольшая часть электронов, проникающих в базу из эмиттера, образуют ток в цепи источника , оставшаяся часть под действием электрического поля источника  движется к коллектору. Если толщина базы невелика, почти все электроны из эмиттера через базу попадают в коллектор и образуют ток в цепи источника  . Пренебрегая электрическим сопротивлением перехода эмиттер-база и внутренним сопротивлением источника  , выразим силу тока в цепи эмиттера:

                                               .

Аналогично выражаем ток в цепи коллектора:

                                               .

Поскольку , имеем:

                               .

Если  ,  то выходное напряжение значительно больше входного. Так как токи в цепи эмиттера и коллектора примерно одинаковы, получается, что выходная мощность значительно больше входной. Понятно, что усиление мощности происходит за счет работы второго источника.

9.5. Внутренний фотоэффект

       Кроме уже рассматривавшегося внешнего фотоэффекта, характерного для металлов, существует и внутренний (вентильный) фотоэффект, наблюдаемый в полупроводниках при облучении их светом. Если энергия фотона не меньше ширины запрещенной зоны, свет поглощается веществом. В результате этого в полупроводниковом образце с собственной проводимостью электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к появлению дополнительных носителей тока, увеличению электропроводности и уменьшению электрического сопротивления образца. В примесных полупроводниках поглощение света вызывает переход электронов из валентной зоны на акцепторные уровни, либо с донорных уровней в зону проводимости. В обоих случаях электропроводность также увеличивается (в первом случае – дырочная, во втором – электронная).

       На внутреннем фотоэффекте основана работа фотосопротивлений. Как показывает опыт, количество дополнительных носителей тока, образующихся при облучении полупроводниковых материалов светом, пропорционально световому потоку. Поэтому фотосопротивления применяются в различных системах автоматического управления, а также в фотометрии. Для оптического излучения  видимой части спектра применяются фотосопротивления, изготовленные на основе  , для инфракрасного излучения – на основе .

       В области  перехода или в контакте металла и полупроводника может иметь место т. н. вентильный фотоэффект, который заключается в возникновении под действием света электродвижущей силы (фотоэдс). В отличие от основных носителей тока, которые не могут проникать через переход из-за наличия запирающего слоя, неосновные носители, образующиеся под действием света, проходят через него. В результате этого в  области образуется избыточный положительный, в  области – избыточный отрицательный заряд, т. е. возникает разность потенциалов. Если  кристалл с переходом либо контакт металла и полупроводника подключить к нагрузке, в цепи будет существовать фототок. Опыт показывает, что при не очень большой освещенности сила фототока пропорциональна падающему световому потоку. На этом основано действие фотоэлектрических фотометров, в частности – применяемых в фотографии экспонометров. Несколько десятков соединенных последовательно переходов на основе кристаллов кремния образуют солнечную батарею, применяемую для питания аппаратуры на космических кораблях.