Номер 2.70, страница 47 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 2. Электрический ток в различных средах. Электрический ток в полупроводниках - номер 2.70, страница 47.

Условие.

2.70. На установке (рис. 2.17, а) получена вольт-амперная характеристика полупроводникового диода (рис. 2.17, б).

а) Почему зависимость силы тока от напряжения нелинейная? Можно ли применять закон Ома?

б) Почему на участке OA сила тока сильно зависит от приложенного напряжения?

в) Почему на участке CB сила тока почти не зависит от напряжения?

Рис. 2.17

Решение.

Решение

а) Зависимость силы тока от напряжения (вольт-амперная характеристика) для полупроводникового диода является нелинейной из-за особенностей прохождения тока через p-n переход. В отличие от металлического проводника, сопротивление которого постоянно, сопротивление диода сильно зависит от величины и полярности приложенного напряжения. Ток через p-n переход описывается сложной экспоненциальной зависимостью, а не линейным законом Ома. Закон Ома ($I = U/R$, где $R=const$) справедлив только для элементов с линейной вольт-амперной характеристикой, то есть для тех, у которых график зависимости $I(U)$ представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Поскольку график для диода — кривая линия, закон Ома в его классической форме для диода неприменим.
Ответ: Зависимость нелинейная, так как сопротивление полупроводникового диода зависит от приложенного напряжения. Закон Ома в форме $I \sim U$ к диоду применять нельзя.

б) Участок ОА соответствует прямому включению диода (положительный полюс источника подключен к p-области, а отрицательный — к n-области). В этом случае внешнее электрическое поле направлено против внутреннего поля p-n перехода, что приводит к уменьшению высоты потенциального барьера. В результате основные носители заряда (дырки из p-области и электроны из n-области) получают возможность диффундировать через переход. Количество носителей, способных преодолеть барьер, растет экспоненциально с увеличением прямого напряжения. Это и вызывает резкое, сильное возрастание силы тока, наблюдаемое на участке ОА.
Ответ: На участке OA приложено прямое напряжение, которое понижает потенциальный барьер p-n перехода, что приводит к экспоненциальному росту числа основных носителей заряда, пересекающих переход, и, как следствие, к резкому увеличению силы тока.

в) Участок CB соответствует обратному включению диода (положительный полюс источника подключен к n-области, а отрицательный — к p-области). Внешнее поле увеличивает высоту потенциального барьера, что практически полностью прекращает движение основных носителей заряда через переход. Однако в полупроводнике всегда присутствует небольшое количество неосновных носителей заряда (электронов в p-области и дырок в n-области), которые образуются в результате тепловой генерации. Эти носители, попадая в область перехода, подхватываются его сильным полем и создают небольшой ток, называемый обратным током насыщения. Величина этого тока определяется скоростью генерации неосновных носителей, которая зависит от температуры, а не от величины обратного напряжения. Поэтому на участке CB сила тока очень мала и почти не зависит от напряжения.
Ответ: На участке CB приложено обратное напряжение, которое создаёт ток только за счёт неосновных носителей заряда. Их количество определяется температурой, а не напряжением, поэтому ток достигает насыщения и практически не изменяется.