Номер 3, страница 335 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Почему $\text{p}$-$\text{n}$-переход обладает односторонней проводимостью?

3. Односторонняя проводимость p-n-перехода является его фундаментальным свойством, которое возникает на границе контакта двух полупроводников: p-типа (с избытком положительных носителей заряда — дырок) и n-типа (с избытком отрицательных носителей заряда — электронов).

При создании такого контакта происходит диффузия: электроны из n-области перемещаются в p-область, а дырки — из p-области в n-область. Встречаясь, они рекомбинируют (взаимно уничтожаются). В результате в пограничной области исчезают свободные носители заряда и образуется так называемый обеднённый (запирающий) слой. В этом слое на стороне n-полупроводника остаются неподвижные положительные ионы примеси, а на стороне p-полупроводника — неподвижные отрицательные ионы. Эти ионы создают внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к p-области. Это поле формирует потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему движению основных носителей заряда через границу.

Свойство односторонней проводимости проявляется при подключении внешнего напряжения:

Прямое включение (смещение): Положительный полюс внешнего источника подключается к p-области, а отрицательный — к n-области. Внешнее электрическое поле направлено против внутреннего поля p-n-перехода. В результате высота потенциального барьера уменьшается. Когда внешнее напряжение превышает пороговое значение (для кремния около $0.6-0.7$ В), барьер становится достаточно низким, и основные носители заряда (электроны и дырки) получают возможность массово проходить через переход. Возникает большой ток, называемый прямым током. Сопротивление p-n-перехода в этом состоянии очень мало.

Обратное включение (смещение): Отрицательный полюс внешнего источника подключается к p-области, а положительный — к n-области. Внешнее поле теперь совпадает по направлению с внутренним полем перехода. Это приводит к увеличению высоты потенциального барьера и расширению обеднённого слоя. Основные носители заряда не могут преодолеть этот высокий барьер. Через переход протекает лишь очень незначительный ток (обратный ток), обусловленный движением неосновных носителей заряда, которые "стаскиваются" сильным полем перехода. Сопротивление p-n-перехода в этом состоянии очень велико.

Ответ: Односторонняя проводимость p-n-перехода обусловлена наличием внутреннего электрического поля (потенциального барьера) на границе p- и n-полупроводников. При прямом включении этот барьер уменьшается, пропуская большой ток, а при обратном включении — увеличивается, практически полностью блокируя ток.

4. Преимущества полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными (ламповыми) диодами, которые они практически полностью вытеснили, весьма многочисленны:

1. Габариты и вес. Полупроводниковые диоды — это твердотельные приборы, они чрезвычайно малы и легки. Вакуумные диоды представляют собой громоздкие стеклянные колбы, которые в сотни и тысячи раз больше и тяжелее.

2. Энергопотребление и тепловыделение. Главное отличие — отсутствие нити накала. Вакуумному диоду требуется значительная мощность для разогрева катода, чтобы он начал испускать электроны. Это приводит к большому потреблению энергии и сильному нагреву. Полупроводниковый диод не требует разогрева, работает при низких напряжениях и токах, поэтому его энергопотребление и, как следствие, тепловыделение несравнимо ниже.

3. Надёжность и долговечность. Полупроводниковые диоды не имеют хрупких частей, таких как стеклянная колба или нить накала, и являются монолитными кристаллами. Это делает их очень устойчивыми к вибрациям, ударам и механическим нагрузкам. Срок их службы значительно превышает срок службы ламп, которые выходят из строя из-за перегорания нити или потери вакуума.

4. Быстродействие. Полупроводниковые диоды обладают очень малой инерционностью и могут переключаться с очень высокими скоростями (миллионы и миллиарды раз в секунду). Это позволяет использовать их в высокочастотной технике, где вакуумные диоды неэффективны.

5. Мгновенная готовность к работе. Полупроводниковый диод начинает работать сразу после подачи напряжения. Вакуумной лампе требуется время на разогрев нити накала.

6. Стоимость. Технология массового производства полупроводниковых приборов позволяет делать их очень дешёвыми, в то время как изготовление вакуумных ламп — процесс более сложный и дорогостоящий.

Ответ: Ключевые преимущества полупроводниковых диодов — миниатюрность, низкое энергопотребление, высокая механическая прочность и надёжность, долговечность, высокое быстродействие и низкая стоимость.