Номер 2, страница 335 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Почему при отсутствии внешнего электрического поля электроны не переходят через $\text{p}$-$\text{n}$-переход из $\text{n}$-полупроводника в $\text{p}$-полупроводник?

1. Что такое p–n-переход?

Электронно-дырочный переход, или p–n-переход, — это область, возникающая на границе двух полупроводников с разными типами проводимости: p-типа (где основными носителями заряда являются положительно заряженные «дырки») и n-типа (где основными носителями заряда являются отрицательно заряженные электроны). Этот переход создается в едином кристалле полупроводника, например, кремния или германия, путем введения различных примесей (легирования) в соседние области.

При контакте этих двух областей начинается процесс диффузии: электроны из n-области, где их концентрация высока, перемещаются в p-область, где их мало, и рекомбинируют там с дырками. Аналогично, дырки из p-области диффундируют в n-область и рекомбинируют с электронами.

В результате этого процесса на границе со стороны n-области остаются неподвижные положительно заряженные ионы донорной примеси, а со стороны p-области — неподвижные отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси. Эти ионы создают так называемый обедненный слой (или запирающий слой), в котором практически отсутствуют свободные носители заряда. Внутри этого слоя возникает внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к p-области. Это поле создает потенциальный барьер, который препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу.

Ответ: p–n-переход — это область на границе контакта полупроводников p- и n-типа внутри единого кристалла, характеризующаяся наличием обедненного слоя и внутреннего электрического поля (потенциального барьера).

2. Почему при отсутствии внешнего электрического поля электроны не переходят через p–n-переход из n-полупроводника в p-полупроводник?

Вопрос подразумевает отсутствие макроскопического, результирующего потока электронов. В действительности через p–n-переход постоянно движутся носители заряда, но в состоянии равновесия (при отсутствии внешнего поля) эти потоки компенсируют друг друга.

Существуют два встречных потока носителей заряда:

1. Диффузионный ток: Создается основными носителями заряда (электронами из n-области и дырками из p-области), которые стремятся перейти в область с меньшей концентрацией. Этот поток направлен против внутреннего электрического поля p–n-перехода.

2. Дрейфовый (или обратный) ток: Создается неосновными носителями заряда (электронами из p-области и дырками из n-области). Эти носители, случайно попадая в область перехода, подхватываются его сильным внутренним электрическим полем и переносятся через границу. Этот поток направлен по направлению внутреннего поля.

При отсутствии внешнего напряжения система приходит в состояние динамического равновесия, при котором диффузионный ток в точности уравновешивается встречным дрейфовым током. В результате суммарный ток через p–n-переход равен нулю. Таким образом, внутреннее электрическое поле и создаваемый им потенциальный барьер не дают основным носителям — электронам — массово переходить из n-области в p-область.

Ответ: При отсутствии внешнего поля результирующий поток электронов через p–n-переход равен нулю, так как диффузионный поток основных носителей заряда (электронов из n- в p-область) полностью компенсируется встречным дрейфовым потоком неосновных носителей, создаваемым внутренним полем перехода.

3. Почему p–n-переход обладает односторонней проводимостью?

Односторонняя проводимость p–n-перехода объясняется тем, что его сопротивление сильно зависит от полярности и величины приложенного внешнего напряжения. Это свойство связано с изменением высоты потенциального барьера на границе p- и n-областей.

Прямое включение (прямое смещение): Если к p-области подключить положительный полюс источника, а к n-области — отрицательный, то внешнее электрическое поле будет направлено навстречу внутреннему полю перехода. Это приводит к уменьшению высоты потенциального барьера и сужению обедненного слоя. В результате основные носители заряда (электроны из n-области и дырки из p-области) получают возможность беспрепятственно преодолевать барьер и двигаться навстречу друг другу, вызывая значительный электрический ток. Сопротивление перехода в этом случае мало.

Обратное включение (обратное смещение): Если к p-области подключить отрицательный полюс, а к n-области — положительный, то внешнее поле будет совпадать по направлению с внутренним полем перехода. Это приводит к увеличению высоты потенциального барьера и расширению обедненного слоя. Для основных носителей заряда барьер становится практически непреодолимым, и их движение через переход прекращается. Через переход протекает лишь очень малый обратный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, для которых возросшее поле является ускоряющим. Сопротивление перехода в этом случае очень велико.

Таким образом, p–n-переход хорошо проводит ток в одном направлении (при прямом включении) и практически не проводит в обратном, что и является свойством односторонней проводимости.

Ответ: Односторонняя проводимость p–n-перехода обусловлена тем, что при прямом смещении внешний источник напряжения понижает потенциальный барьер, обеспечивая большой ток, а при обратном смещении — повышает барьер, практически полностью блокируя ток.