§ 110. Полупроводниковые выпрямители.

В местах контакта между двумя полупроводниками с разным механизмом проводимости – дырочным и электронным – наблюдается ряд замечательных явлений. Оказывается, что место контакта таких полупроводников обладает весьма различной проводимостью в зависимости от того, будет ли электрическое поле направлено от -полупроводника к -полупроводнику или наоборот. Если, например, привести в соприкосновение закись меди (), имеющую дырочную проводимость, и двуокись титана (), имеющую электронную проводимость, то при одном и том же напряжении ток в направлении от закиси меди к двуокиси титана будет в 10 000 раз сильнее, чем в обратном направлении.

Чтобы понять причину этих явлений, нужно разобраться в процессах, происходящих на так называемых -переходах, т. е. на границе соприкосновения дырочных и электронных полупроводников. В электронном проводнике основными носителями тока являются свободные электроны, число которых гораздо больше, чем число дырок. В дырочном проводнике, наоборот, число дырок гораздо больше, чем число свободных электронов. Когда мы приводим эти два вещества в соприкосновение, то электроны начинают диффундировать из -полупроводника, где их концентрация выше, в -полупроводник, где их имеется меньше, подобно тому как атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого раствора в слабый, если привести растворы в соприкосновение. Точно так же и по тем же причинам дырки будут диффундировать из дырочного полупроводника в электронный. В результате этого пограничный слой обоих полупроводников обедняется основными носителями, т. е. на границе создается так называемый запирающий слой, сопротивление которого значительно больше, чем сопротивление всей толщи обоих полупроводников. Фактически именно сопротивлением этого запирающего слоя и определяется сопротивление всего тела.

Естественно возникает вопрос: до каких пор будет происходить уход дырок из -полупроводника в -полупроводник и уход электронов в обратном направлении? Ответить на этот вопрос нетрудно. Так как из дырочного полупроводника уходят положительные заряды, а притекают в него электроны, то вблизи границы этот полупроводник заряжается отрицательно. Точно так же пограничный слой электронного полупроводника заряжается положительно, так как сюда притекают дырки, а отсюда уходят электроны. Таким образом, вблизи границы возникает двойной электрический слой, в котором поле направлено от электронного полупроводника к дырочному, т. е. противодействует диффузии электронов и дырок (поле  на рис. 186). Когда это поле достигнет такой напряженности, что его действие уравновесит стремление свободных электронов и дырок диффундировать в «чужие» области, будет достигнуто равновесие, и дальнейшая диффузия прекратится.

Рис. 186. Возникновение запирающего слоя на границе -полупроводника и -полупроводника:  – поле, препятствующее диффузии электронов и дырок

Представим себе теперь, что мы присоединили пластинку к батарее так, что электронный проводник соединен с минусом батареи, а дырочный – с плюсом (рис. 187,а). Внешнее поле, которое сосредоточено преимущественно в запирающем слое, имеющем наибольшее сопротивление, будет направлено от дырочного полупроводника к электронному. Дырки и электроны будут двигаться к границе, навстречу друг другу; встречаясь, они могут рекомбинировать, а на то место будут приходить из электродов новые свободные электроны и дырки и т. д. Сопротивление слоя будет сравнительно невелико и ток в этом пропускном направлении будет большим. Если же мы присоединим плюс батареи к электронному проводнику, а минус к дырочному, то внешнее поле будет двигать электроны и дырки от границы в противоположные стороны (рис. 187,б), запирающий слой будет расширяться, и сопротивление тела резко возрастет.

Рис. 187. Движение свободных электронов (кружки со знаком «-») и дырок (кружки со знаком «+») при прохождении тока через -переход: а) пропускное включение; б) запирающее включение

В настоящее время выяснилось, что именно этим механизмом обусловлено сильное выпрямляющее действие так называемых медно-закисных (купроксных) и селеновых выпрямителей, разработанных чисто эмпирическим путем, без ясного понимания происходящих в них физических процессов. Медно-закисный выпрямитель представляет собой медную пластинку, на которой при температуре свыше 1000°С наращивается слой закиси меди (); затем при температуре около 600°С этот слой насыщается кислородом и быстро охлаждается. После этого растворяют кислотой образовавшийся на поверхности закиси слой окиси меди (СuО) и наносят на закись слой металлической меди.

Если приготовленную таким образом пластинку включить в цепь батареи (рис. 188), то оказывается, что при таком направлении тока, когда он идет от закиси меди к медной пластинке, ток очень большой, т. е. сопротивление пластинки очень мало. Если же поменять местами полюсы батареи, т. е. заставить ток идти от медной пластинки к закиси меди, то сила тока станет в тысячи раз меньше, в этом направлении пластинка имеет сопротивление в тысячи раз большее. Таким образом, пластинка представляет собой электрический вентиль, подобный двухэлектродной лампе (§ 106): она пропускает ток в одном направлении и почти не пропускает его в обратном направлении. Причина явления заключается в том, что на основном медном электроде имеется слой закиси меди, содержащий примеси меди и других металлов; этот слой является электронным полупроводником. Но внешний слой закиси, обогащенный кислородом, является дырочным полупроводником. Таким образом, в толще закиси меди имеется -переход, т. е. существует граница между полупроводниками - и -типа. Здесь и возникает запирающий слой, обусловливающий одностороннюю проводимость.

Рис. 188. Через медно-закисный выпрямитель проходит сильный ток при включении по схеме а) и очень слабый при включении по схеме б): 1 – закись меди, обогащенная кислородом, 2 – напыленная медь, 3 – закись меди, 4 – медь

Такими же свойствами обладает селеновый выпрямитель. Он представляет собой нанесенный на никелированную железную пластинку слой селена, поверх которого наносится второй электрод из сплава кадмия, олова и висмута. После длительного прогрева и пропускания тока такая система тоже приобретает свойство односторонней проводимости. В селеновых выпрямителях запирающий слой образуется также на границе между селеном (дырочным полупроводником) и селенистым кадмием, который возникает в процессе обработки пластин и имеет электронный механизм проводимости.

В настоящее время широкое распространение в технике, особенно в радиотехнике, получили полупроводниковые выпрямители из германия, кремния и других полупроводников. Мы видели в предыдущем параграфе, что характер проводимости германия можно изменять, вводя в него небольшое число примесных атомов того или другого рода. Если, например, на одной из поверхностей германия с электронной проводимостью расплавить небольшой кусок индия, то тонкий поверхностный слой, в который проникнут на некоторую глубину атомы индия, станет дырочным полупроводником и в толще германия создастся -переход, который будет иметь выпрямляющее свойство (одностороннюю проводимость). На рис. 189 показано устройство одного из типов таких германиевых выпрямителей, а на рис. 190 – его вольтамперная характеристика, т. е. кривая, изображающая зависимость силы тока через выпрямитель от приложенного к нему напряжения. Мы видим из этой кривой, что в пропускном направлении ток равен 1 А уже при напряжении 0,75 В, т. е. сопротивление германия очень мало. В запирающем же направлении ток очень мал (около 0,05 мА) и практически не зависит от напряжения вплоть до напряжения около 400 В, когда наступает пробой.

 

Рис. 189. Германиевый выпрямитель: а) общий вид; б) сечение, 1 – германиевая пластинка, 2 – вольфрамовая пружинка с острием, 3 – керамический цилиндр, 4 – латунные держатели; в) условное изображение

Рис. 190. Вольтамперная характеристика германиевого выпрямителя

Из германия, кремния и других полупроводников с -переходами в настоящее время изготовляют также и полупроводниковые усилители (транзисторы), которые заменяют трехэлектродную усилительную электронную лампу. Такие приборы во многих случаях имеют большие преимущества по сравнению с вакуумными электронными лампами, так как они обладают гораздо меньшими размерами, имеют значительно больший срок службы и требуют меньшей мощности питания, чем электронные лампы.