Номер 3, страница 104 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Глава 4. Электромагнитные колебания. Параграф 25. Автоколебания. Вопросы к параграфу - номер 3, страница 104.

Условие.

3. Опишите свойства $p-n$-перехода в полупроводниках.

Решение.

Решение 2.

p-n-переход — это область на границе двух полупроводников с разными типами примесной проводимости: p-типа (где основными носителями заряда являются положительно заряженные «дырки») и n-типа (где основными носителями являются отрицательно заряженные электроны), созданная в едином кристалле. Основные свойства p-n-перехода обусловлены процессами, происходящими на этой границе.

1. Образование обедненного слоя и потенциального барьера
При создании контакта между полупроводниками p- и n-типа начинается взаимная диффузия основных носителей заряда: электроны из n-области переходят в p-область, а дырки из p-области — в n-область. Вблизи границы происходит рекомбинация электронов и дырок (их взаимное уничтожение). В результате этого в n-области у границы остаются некомпенсированные положительно заряженные ионы донорной примеси, а в p-области — некомпенсированные отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси.
Этот слой пространственного заряда, обедненный подвижными носителями, называется обедненным или запирающим слоем. Внутри этого слоя возникает внутреннее электрическое поле $E_{вн}$, направленное от n-области к p-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей. Разность потенциалов, соответствующая этому полю, называется контактной разностью потенциалов или высотой потенциального барьера $\Delta\varphi_к$. В состоянии равновесия диффузионный ток основных носителей $I_{диф}$ уравновешивается дрейфовым током неосновных носителей $I_{др}$, который течет под действием внутреннего поля. Суммарный ток через переход равен нулю: $I = I_{диф} - I_{др} = 0$.
Ответ: В p-n-переходе на границе контакта полупроводников p- и n-типа самопроизвольно формируется обедненный свободными носителями слой и внутреннее электрическое поле, создающее потенциальный барьер, который в равновесии препятствует движению основных носителей заряда.

2. Односторонняя проводимость (выпрямляющее свойство)
Это главное и наиболее важное свойство p-n-перехода, которое проявляется при подключении внешнего напряжения.
Прямое смещение: Если к p-области подключить положительный полюс источника, а к n-области — отрицательный, то внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего поля перехода. Это приводит к уменьшению высоты потенциального барьера и сужению обедненного слоя. В результате основные носители (дырки из p-области и электроны из n-области) получают возможность массово преодолевать барьер, и через переход начинает течь значительный прямой ток $I_{пр}$. Зависимость прямого тока от напряжения $U$ носит экспоненциальный характер.
Обратное смещение: Если к p-области подключить отрицательный полюс источника, а к n-области — положительный, то внешнее поле совпадает по направлению с внутренним. Это приводит к увеличению высоты потенциального барьера и расширению обедненного слоя. Движение основных носителей через переход практически прекращается. Через переход течет лишь очень малый обратный ток $I_{обр}$, обусловленный движением неосновных носителей заряда, для которых возросший барьер не является препятствием. Этот ток слабo зависит от приложенного обратного напряжения (до момента пробоя).
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода описывается уравнением Шокли: $I = I_0 (e^{\frac{eU}{kT}} - 1)$, где $I_0$ — обратный ток насыщения, $e$ — элементарный заряд, $U$ — приложенное напряжение, $k$ — постоянная Больцмана, $T$ — абсолютная температура.
Ответ: p-n-переход обладает свойством односторонней проводимости: он хорошо проводит ток в прямом направлении (при прямом смещении) и практически не проводит ток в обратном направлении (при обратном смещении), что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.

3. Барьерная ёмкость
Обедненный слой p-n-перехода, лишенный свободных носителей, ведет себя как диэлектрик. С обеих сторон от него находятся области полупроводника с высокой концентрацией носителей, которые можно рассматривать как обкладки конденсатора. Таким образом, p-n-переход обладает ёмкостью, называемой барьерной ёмкостью $C_б$.
Величина этой ёмкости зависит от ширины обедненного слоя, а следовательно, от приложенного обратного напряжения. При увеличении обратного напряжения ширина обедненного слоя возрастает, а ёмкость уменьшается. Эта зависимость используется в варикапах — полупроводниковых диодах, ёмкость которых управляется напряжением.
Ответ: p-n-переход обладает барьерной ёмкостью, величина которой зависит от приложенного обратного напряжения: с ростом напряжения ёмкость уменьшается.

4. Пробой p-n-перехода
При достаточно большом обратном напряжении ($U_{обр} > U_{проб}$), называемом напряжением пробоя, обратный ток через переход резко возрастает. Это явление называется пробоем p-n-перехода. Различают два основных механизма пробоя:
Лавинный пробой: Происходит при относительно широких переходах. Сильное электрическое поле в обедненном слое ускоряет неосновные носители до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов кристаллической решетки. В результате каждого акта ионизации создается новая электронно-дырочная пара. Эти новые носители также ускоряются полем и, в свою очередь, ионизируют другие атомы. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому росту обратного тока.
Туннельный (зенеровский) пробой: Характерен для сильно легированных полупроводников с очень узким обедненным слоем (шириной менее 10 нм). В таких условиях возникает сверхсильное электрическое поле ($>10^6$ В/см), и валентные электроны из p-области могут напрямую, без изменения энергии, туннелировать через узкий потенциальный барьер в зону проводимости n-области. Это приводит к резкому увеличению обратного тока.
Ответ: При достижении определённого значения обратного напряжения (напряжения пробоя) в p-n-переходе происходит резкое увеличение обратного тока, называемое пробоем, которое может быть лавинным или туннельным (зенеровским) в зависимости от характеристик перехода.