Теория выпрямления. 
Изучение работы полупроводниковых выпрямителей

Контакт двух металлов, полупроводников или металла с полупроводником обладает выпрямляющим действием. Это значит, что сопротивление такого контакта зависит от направления проходящего через него тока: в одном направлении (запорном) оно велико, противоположном (пропускном) — мало. Особенно резко выпрямляющее действие выражено на границе дырочного (p) и электронного (n) полупроводников. О таком контакте говорят как об электронно-дырочном (p-n) — контакте или переходе. Хорошие р-nпереходы не удается получить, прижимая один полупроводник к другому, из-за шероховатости поверхностей тел. Для получения хороших р-nпереходов в пластинку чистого полупроводника вводят две примеси: донорную, которая сообщает полупроводнику электронную проводимость и акцепторную, которая сообщает ему дырочную проводимость. Распределяют примеси таким образом, чтобы в одном конце пластинки имелся избыток одной примеси, а в другом конце — избыток другой. С точки зрения зонной теории проводимости границы энергетических зон в обоих полупроводниках совпадают.

Но примесные (промежуточные) уровни в запрещенной зоне расположены в электронном полупроводнике вблизи зоны проводимости, а в дырочном вблизи валентной зоны. Благодаря этому средняя энергия электрона проводимости и уровень ферми ЕF в первом полупроводнике будет выше, чем во втором полупроводнике.

Если полупроводники приведены в контакт, то электроны в большом количестве будут переходить из первого полупроводника во второй (и там рекомбинировать с дырками), а дырки из р — области будут переходить в n — область (и рекомбинировать с электронами). В тонком слое между полупроводниками появляется контактное.

4 электрическое поле, направленное от электронного к дырочному полупроводнику. В результате этого энергетические уровни электронного полупроводника начнут опускаться, а дырочного — подниматься. Контактное электрическое поле будет тормозить переход электронов из электронного в дырочный полупроводник. Процесс перехода электронов прекратится, когда уровни Ферми в обоих полупроводниках сделаются одинаковыми (рис. 1, б). Контактное электрическое поле выталкивает электроны проводимости в глубь электронного, а дырки — в глубь дырочного полупроводника, в результате переходный слой на границе полупроводников оказывается сильно обедненным обоими носителями тока: и электронами и дырками. Поэтому, несмотря на малую толщину (порядка 10 -4 — 10−6 см) электрическое сопротивление переходного слоя оказывается очень большим.

Допустим теперь, что наложено внешнее электрическое поле Е, направленное от электронного полупроводника к дырочному, т. е. одинаково с контактным полем ЕK. Такое поле еще больше уменьшает концентрацию дырок и электронов проводимости в переходном слое, т. е. практически через контакт нет движения основных носителей тока. Сопротивление контакта возрастает, ток не идет. Если внешнее электрическое поле Е будет направлено против контактного поля Еk, то электроны проводимости и дырки будут беспрепятственно переходить через переходный слой (рис. 2, б). При достижении напряжения, равного по величине (но противоположного по знаку) контактной разности потенциалов, сопротивление последнего уменьшится, так что сопротивление выпрямителя будет равно омическому сопротивлению полупроводника. Дальнейшее увеличение тока будет происходить по линейному закону. Это направление поля соответствует пропускному или прямому направлению.

5 Нужно заметить, что в любом полупроводнике, помимо основных носителей тока, имеется малое количество неосновных (в электронных полупроводниках есть и дырки, а в дырочных — электроны). Ток неосновных носителей направлен навстречу основным носителям, но он мал ввиду малой концентрации неосновных носителей.

Таким образом, контакт двух полупроводников обладает односторонней проводимостью или вентильным свойством и имеет вследствие этого нелинейную вольтамперную характеристику. При включении переменного тока такие контакты действуют как выпрямители.

Теоретические вычисления зависимости тока от напряжения приводят к формуле вида.

I = I0 (e ЬUe — 1) ,.

где I0 — константа, зависящая от свойства полупроводника и контактной разности потенциалов, UC — разность потенциалов, приложенная к запорному слою, Ь =?_e/kT, где eзаряд электрона, k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура,? — коэффициент, зависящий от строения запорного слоя; при комнатной температуре для однородного тонкого слоя (?= I), Ь = 40 В??.

Так как последовательно с запорным слоем всегда имеется слой полупроводника, а практически измеряется полное падение напряжения на выпрямителе (а не на запорном слое), то формулу (I) следует записать в виде.

I =I0 (e Ь (U-IRs) — 1),.

где U — напряжение, приложение ко всему выпрямителю, IRs ;

6 падение напряжения на слое полупроводника с сопротивлениемRs. Согласно формулам (1) и (2) в прямом направлении (Uc> 0) при достаточно большом напряжении величина eЬUc >>1, U? Uc и зависимость тока от напряжения может быть записана в виде.

I = I0 eЬUc = I0 eЬU,.

т.е. ток растет экспоненциально с увеличением напряжения.

При еще большем напряжении, когда падение напряжения на толще слоя проводника становится соизмеримым с падением напряжения на выпрямителе, характеристику следует записывать в виде.

I = I0 eЬ (U-IRs) .

При большом прямом токе характеристика становится линейной, т. е. дифференциальное сопротивление выпрямителя стремится к постоянной величине, что следует из формулы.

R = dU/dI = (dI/dU)-1 = (I Ь)-1 + Rs ,.

которую можно получить, дифференцируя (2) по U и исключая из производной dI/dU напряжение U с помощью выражения (2).

Зависимость в виде формулы (3) удобна для сравнения с экспериментальными характеристиками. Построение экспериментального графика в системе координат (ln I; U) должно дать прямую.

ln I = ln I0 + ЬU.

с угловым коэффициентом если теоретический характер зависимости совпадает с экспериментальным, и можно пренебречь падением напряжения в толще полупроводника.

В обратном направлении с увеличением напряжения согласно формулам (1) или (2) сила тока стремится к насыщению, т. е. к постоянной величине I0. На опыте сила тока в обратном направлении при малых напряжениях увеличивается с замедлением, сопротивление при этом растет. Однако с некоторого достаточно высокого.

7 напряжения начинается быстрое возрастание обратного тока, что объясняется эффектами сильного поля, возникающими в запорном слое (возникает электрический пробой полупроводника).