Номер 13, страница 151 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

13. Какими свойствами обладает электронно-дырочный переход?

Электронно-дырочный переход (или p-n переход) — это область, возникающая на границе контакта двух полупроводников с разными типами проводимости: p-типа (дырочной) и n-типа (электронной). Этот переход обладает рядом фундаментальных свойств, которые лежат в основе работы подавляющего большинства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров, светодиодов, солнечных батарей и т.д.).

Основные свойства p-n перехода:

Это ключевое свойство p-n перехода. Оно заключается в том, что переход имеет очень разное сопротивление в зависимости от полярности приложенного к нему внешнего напряжения. То есть он хорошо проводит ток в одном направлении (прямом) и практически не проводит в обратном.

• Прямое включение (смещение): Если к p-области подключить положительный полюс источника напряжения, а к n-области — отрицательный, то внешнее электрическое поле ослабляет внутреннее поле обедненного слоя перехода. В результате высота потенциального барьера уменьшается, и основные носители заряда (дырки из p-области и электроны из n-области) получают возможность диффундировать через переход, создавая значительный прямой ток. Сопротивление перехода в этом случае мало.
• Обратное включение (смещение): Если полярность источника поменять на противоположную (минус к p-области, плюс к n-области), то внешнее поле усиливает внутреннее поле перехода. Потенциальный барьер становится выше, а обедненный слой — шире. Это препятствует движению основных носителей заряда. Через переход протекает лишь очень малый обратный ток (ток утечки), обусловленный движением неосновных носителей заряда, для которых поле является ускоряющим. Сопротивление перехода в этом случае очень велико.

Ответ: Главное свойство p-n перехода — это односторонняя проводимость: он пропускает ток преимущественно в одном направлении (при прямом смещении) и блокирует его в обратном направлении.

Это свойство является прямым следствием односторонней проводимости. Зависимость тока ($I$) через переход от приложенного напряжения ($U$) не подчиняется закону Ома и имеет ярко выраженный нелинейный характер.

• Прямая ветвь ВАХ ($U > 0$): Ток через переход начинает заметно расти только после того, как прямое напряжение превысит некоторое пороговое значение (для кремниевых диодов это примерно 0.6–0.7 В). Далее ток нарастает по экспоненциальному закону.
• Обратная ветвь ВАХ ($U < 0$): При увеличении обратного напряжения ток практически не меняется и остается очень малым (это обратный ток насыщения $I_s$). Однако при достижении определенного критического напряжения (напряжения пробоя $U_{пробоя}$) происходит резкое увеличение обратного тока.

Идеализированная ВАХ p-n перехода описывается уравнением Шокли: $I = I_s (e^{\frac{qU}{kT}} - 1)$, где $I_s$ — обратный ток насыщения, $q$ — элементарный заряд, $k$ — постоянная Больцмана, $T$ — абсолютная температура.

Ответ: Электронно-дырочный переход обладает нелинейной вольт-амперной характеристикой: экспоненциальный рост тока при прямом смещении и очень малый, почти постоянный ток (до наступления пробоя) при обратном.

При достаточно большом обратном напряжении происходит пробой p-n перехода, то есть резкое и значительное увеличение обратного тока. Этот процесс, как правило, обратим (если мощность, выделяемая на переходе, не приводит к его тепловому разрушению). Различают два основных механизма пробоя:

• Лавинный пробой: Неосновные носители заряда, ускоренные сильным электрическим полем в обедненном слое, приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. Это порождает новые электронно-дырочные пары, которые, в свою очередь, ускоряются и ионизируют другие атомы, вызывая лавинообразное нарастание тока.
• Зенеровский (туннельный) пробой: Наблюдается в сильнолегированных полупроводниках с очень узким p-n переходом. В сильном электрическом поле электроны могут туннелировать из валентной зоны p-области непосредственно в зону проводимости n-области, что также вызывает резкий рост тока.

Это свойство используется, например, в стабилитронах (диодах Зенера) для стабилизации напряжения.

Ответ: При превышении определенного обратного напряжения в p-n переходе происходит обратимый электрический пробой (лавинный или зенеровский), сопровождающийся резким ростом тока.

p-n переход обладает свойствами электрического конденсатора, причем его емкость зависит от приложенного напряжения.

• Барьерная емкость: Проявляется при обратном смещении. Обедненный слой, лишенный носителей, выступает в роли диэлектрика, а p- и n-области — в роли обкладок конденсатора. С увеличением обратного напряжения ширина обедненного слоя растет, а барьерная емкость уменьшается. Это свойство используется в варикапах — диодах с управляемой емкостью.
• Диффузионная емкость: Проявляется при прямом смещении и связана с накоплением неосновных носителей заряда вблизи границы перехода в процессе инжекции. Эта емкость значительно больше барьерной и влияет на быстродействие диода.

Ответ: p-n переход обладает двумя видами ёмкости: барьерной (зависящей от обратного напряжения) и диффузионной (проявляющейся при прямом смещении).

p-n переход чувствителен к оптическому излучению. Если на переход падает свет с энергией фотонов, достаточной для генерации электронно-дырочных пар ($h\nu \ge E_g$), то под действием внутреннего поля перехода эти пары разделяются, создавая фототок или фото-ЭДС.

• Фотогальванический эффект: При освещении p-n перехода без внешнего источника на его выводах возникает разность потенциалов (ЭДС). На этом принципе работают солнечные батареи.
• Фотодиодный режим: Если к переходу приложено обратное смещение, то генерируемые светом носители увеличивают обратный ток. Величина этого фототока пропорциональна интенсивности освещения. Это свойство используется в фотодиодах и фототранзисторах.

Ответ: p-n переход способен преобразовывать световую энергию в электрическую: генерировать ЭДС (фотогальванический эффект) или изменять свою проводимость под действием света (фотодиодный эффект).

При протекании прямого тока через p-n переход, изготовленный из определенных полупроводниковых материалов (например, арсенида галлия GaAs, фосфида галлия GaP), происходит излучательная рекомбинация электронов и дырок. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации, излучается в виде квантов света (фотонов). Цвет излучения зависит от ширины запрещенной зоны материала. Это свойство лежит в основе работы светодиодов (LED) и полупроводниковых лазеров.

Ответ: При прямом смещении p-n переход, изготовленный из определенных материалов, способен излучать свет в результате рекомбинации носителей заряда. Это свойство лежит в основе работы светодиодов.