Журнал Радио 2 номер 1947 год. Твердые выпрямители

Журнал Радио 2 номер 1947 год. Твердые выпрямители Я. И. Лихтер 

В последнее время широкое применение в технике нашли твердые выпрямители и фотоэлементы с запорным слоем (вентильные фотоэлементы). В этих приборах используются особенности электрических свойств так называемых полупроводников. Рост практического интереса к этим материалам привел к интенсивному развитию теоретических и экспериментальных исследований их свойств, в результате чего, с одной стороны, значительно расширился ассортимент материалов, применяемых в технике, с другой стороны, значительно углубились наши сведения о строении вещества и механизме электрической проводимости.

Рис. 1.   Рис. 2.

Наибольшее распространение в технике нашли выпрямители и фотоэлементы с красной закисью меди Сu2О (медно-закисные или купроксные) и с металлической модификацией селена Se (селеновые). Известны и такие полупроводники, как каменная соль (NaCI), сернистый цинк (ZnS), сернистый таллий (ThS) и некоторые другие соединения таллия (таллофидные фотоэлементы), сернистая медь (Сu2S) и другие. Следует отметить, что известный каждому радиолюбителю кристалическяй детектор также является прибором, в котором используются полупроводники (карборунд, пирит и пр,).

Каковы же особенности электрических свойств полупроводников, отличающие их от металлов и обусловившие столь широкое практическое их применение?

По величине электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между металлами и изоляторами. В то время как величина удельного сопротивления металлов характеризуется цифрой около 0,00001 Ohm/sm, а в изоляторах заметная проводимость возникает только при больших напряжениях, близких к пробивным, значения удельного сопротивления для полупроводников колеблются в широких пределах (105 — 1010 Ohm/sm) в зависимости от рода материала и некоторых других условий1.

Как известно, повышение температуры в металлах приводит к повышению сопротивления (приблизительно пропорционально температуре). В полупроводниках же рост температуры приводит к резкому уменьшению сопротивления.Например, в чистой закиси меди при повышении температуры от 0° до 1000° С сопротивление падает от 1010 до 0,1 Ohm/sm.

Добавление посторонних веществ в качестве примесей в металлах приводит к падению электропроводности, в то время как в полупроводниках даже незначительное количество примеси в миллионы раз увеличивает проводимость.

Закон Ома, точно выполняющийся в металлах при всех достижимых силах тока, в полупроводниках нарушается — проводимость их довольно сильно растет при увеличении приложенного электрического напряжения.

Весьма интересны и такие факты, как влияние света и рентгеновских лучей на величину проводимости полупроводников. Облучение светом или рентгеновскими лучами металлического проводника не сказывается на величине его проводимости. Облучение же полупроводника значительно увеличивает его проводимость, а иногда и вообще служит необходимым условием ее существования (явление внутреннего фотоэффекта).

Наконец, и весьма своеобразные явления, происходящие в пограничных слоях металл — полупроводник, обусловили столь значительное практическое применение полупроводящих материалов в технике. На такой границе происходит выпрямление переменного тока и возникновение ЭДС при облучении этой границы светом (твердые выпрямители и фотоэлементы с запорным слоем).

Обратимся к вопросу о механизме проводимости электрического тока и набросаем качественную картину тех явлений, которые создают эти интересные особенности полупроводников.

Электрический ток неразрывно связан с движением электрических зарядов — положительных или отрицательных. Различают три типа проводимости; 1) электронную — носителями тока являются электроны; 2) ионную — носителями тока являются ионы того или иного знака; 3) смешанную — в создании электрического тока участвуют как электроны, так и ионы.

Типичными представителями электронных проводников являются металлы. Закись меди и селен являются полупроводниками, обладающими электронной проводимостью.

Рис. 3.   Рис. 4.

Растворы солей и кислот представляют типичный пример ионного проводника. Кристаллы каменной соли могут служить примером твердого ионного полупроводника. При освещения кристалла каменной соли рентгеновскими лучами она делается проводящей, причем на отрицательном электроде выделяется металлический натрий. На положительном же электроде продукты электролиза не выделяются. Это позволяет заключить, что ионы хлора прочнее привязаны к своим местам и образуют в общем довольно жесткий остов кристаллической решетки; ионы же натрия могут более или менее свободно передвигаться под действием электрического напряжения. Это свойство они приобретают только после облучения кристалла рентгеновскими лучами.

В дальнейшем нас будут интересовать только электронные полупроводники, поскольку именно они находят наибольшее практическое применение.

Каков же механизм электронной проводимости?

Атом представляет собою систему из положительно заряженного ядра и некоторого количества отрицательно заряженных электронов. Число электронов таково, что их общий заряд равен заряду ядра, так что в общем атом представляется электрически нейтральным. Электроны движутся вокруг ядра по замкнутым кривым — орбитам, размеры которых различны. Наиболее удаленные от ядра орбиты занимают внешние, так называемые валентные электроны. Эти электроны замечательны тем, что они связаны с ядром атома наименее прочно и участвуют в создании химических соединений веществ. Однако, для того чтобы оторвать такой валентный электрон от атома, находящегося на значительном расстоянии от других атомов (например, в парах), нужно затратить довольно значительную работу.

На рис. 1 и 2 изображена энергетическая схема отдельного атома. В центре атома расположено положительно заряженное ядро его. Вокруг ядра движутся электроны (орбиты двух электронов изображены на рис. 1 пунктирными окружностями). Со стороны ядра на электроны действует сила притяжения по закону Кулона. Благодаря этому электрон обладает определенной потенциальной энергией. Величина этой потенциальной энергии обратно пропорциональна расстоянию X электрона от ядра (радиус орбиты). На том же рис, 1 двумя симметричными кривыми изображена зависимость потенциальной энергии U(x) от расстояния. Таким образом электрон, двигающийся по орбите радиуса Х1 обладает потенциальной энергией U1. Электрон, двигающийся по другой орбите, радиус которой Х2 больше чем радиус первой орбиты Х1 обладает потенциальной энергией U2 меньшей чем U1.

Рис. 2 повторяет ту же схему, но на ней для упрощения не изображены ядро атома и электронные орбиты.

Благодаря тому что электрон движется вокруг ядра, он не может под действием кулоновской силы упасть на ядро (центробежная сила). Но, с другой стороны, обладая некоторой определенной энергией, он не может и удалиться от ядра на любое расстояние. Действительно, пусть полная энергия электрона изображается горизонтальной прямой Ко (рис. 2). Эта полная энергия электрона делится на кинетическую энергию его движения вокруг ядра и на потенциальную энергию, зависящую от расстояния до ядра. Предположим, что электрон удалился от ядра на расстояние Хо, тогда его потенциальная энергия равна Ко, т. е. полной энергии. Значит, кинетическая энергия равна нулю — электрон остановится. Но как только электрон остановится, тотчас же кулоновская сила заставит его двигаться к ядру. Значит, для того чтобы удалить электрон от ядра, нужно сообщить ему некоторое количество энергии, в нашем случае не меньше чем Uo.

Из рис. 2 видно, что чем дальше электрон находится от ядра, тем меньшую энергию нужно затратить, чтобы оторвать его. Чтобы оторвать от ядра электрон, обладающий полной энергией K1 > Ко, нужно затратить меньше энергии, чем для того, чтобы оторвать электрон, обладающий полной энергией Ко.

Представим себе теперь, что произойдет, если много атомов сблизятся на весьма малые расстояния и расположатся в определенном порядке, образуя твердое тело. Взаимодействие их приведет к тому, что связь внешних электронов с ядром значительно ослабится, а в отдельных случаях может и вовсе нарушиться.

Рис. 3 поясняет сказанное. Электроны, обладающие полной энергией, большей чем К1 оказываются свободными от сил притяжения со стороны какого-либо определенного атома и могут перемещаться по всему объему, занятому твердым телом.

В металлах такое освобождение электронов происходит в наиболее полной форме. Все атомы, составляющие металл, являются полностью ионизованными, т. е. они теряют все свои валентные электроны. Атомные остатки довольно жестко закреплены в определенных местах, образуя ту или иную структуру, а освободившиеся электроны могут свободно перемещаться между ионами. В этих условиях уже небольшого внешнего электрического напряжения оказывается достаточным для того, чтобы сообщить всем электронам упорядоченное движение в определенном направлении, т. е. создать электрический ток. Так как число таких свободных электронов (электронов проводимости) очень велико, то уже при малых напряжениях возникает значительный ток.

Нечто иное происходит при соединении атомов полупроводников в твердое тело. В этом случае электрические взаимодействия различных атомов не так сильно влияют на энергию связи валентных электронов со своими атомами. Эта энергия только значительно уменьшается, так что отрыв электронов облегчается, хотя они и остаются еще связанными. Однако связь эта настолько ослабляется, что даже сравнительно слабых внешних воздействий оказывается достаточно чтобы оторвать некоторое количество валентных электронов, превратив их в электроны проводимости. К этому может привести, например, повышение температура. Усиление теплового движения, вызванное повышением температуры, приведет к тому, что атомы будут испытывать более энергичные соударения, в результате чего некоторое количество электронов окажется освобожденным. К таким же результатам может привести и облучение светом. При поглощении света энергия световых квант может оказаться достаточной, чтобы оторвать часть электронов и перевести их в зону проводимости.

Отсюда, в частности, делается понятной температурная зависимость проводимости у полупроводников. Каждому значению температуры соответствует определенная концентрация электронов проводимости. При повышении температуры концентрация их растет, следовательно, увеличивается количество электричества, приходящего в движение при наложении той же разности потенциалов, и, следовательно, увеличивается и проводимость. Правда, одновременно увеличивается и интенсивность колебательного движения атомной решетки, что приводит к увеличению сопротивления движению электронов. Но обычно оказывается, что в полупроводниках первый фактор играет более существенную роль. В металлах же, где количество электронов проводимости не зависит от температуры, определяющим является усиление теплового движения атомной решетки, что и приводит к падению проводимости при повышении температуры.

Тот механизм освобождения электронов и перевода их в зону проводимости, который был описан выше, хотя принципиально и верен, но практически осуществляется редко. Электроны в полупроводнике оказываются еще достаточно прочно связанными со своими атомами, поэтому в чистых полупроводниках проводимость весьма мала. Но если в полупроводнике примешаны в некотором количестве избыточные атомы одного из веществ, входящих в состав полупроводника (например, избыточный кислород или избыточная медь в закиси меди), то здесь открываются различные возможности для возникновения электропроводности. Может оказаться, что уже при нормальных температурах атомы примеси потеряют свои электроны, которые, освободясь, превратятся в электроны проводимости. В этой случае атомы примеси и являются основным источником электронов проводимости.

Может иметь место такой случай, когда атомы примеси облегчают отрыв электронов от основных атомов полупроводника, однако, электроны не освободятся полностью, а «прилипнут» к атомам примеси. В этом случае электроны проводимости в том смысле, как мы это подразумевали выше, не возникнут. Однако часть атомов окажется ионизованной т. е. на общем фоне атомов, электрически нейтральных, обнаружится некоторое число атомов, потерявших часть своих электронов и обладающих, следовательно, положительным зарядом. Образуется то что принято называть «электронной дыркой». Благодаря наличию такой «дырки» соседние с нею электроны получат возможность оставить свой атом, и занять свободное место. При наложении на такой полупроводник некоторой разности потенциалов мы получим эффект электрического тока, причем незаполненное место — «электронная дырка» — будет перемещаться так, как если бы это была положительно заряженная частица. В этом случае мы будет иметь полупроводник, обладающий, как принято говорить, электронной «дырочной» проводимостью.

Один и тот же полупроводник в зависимости от рода примеси может обладать как нормальной электронной проводимостью, так и «дырочной». Например, закись меди с примесью кислорода обладает «дырочной» проводимостью, а закись меди с примесью меди — нормальной электронной проводимостью.

Возможен и такой случай, когда одновременно образуются как свободные электроны проводимости, так и «электронные дырки».

Обратимся еще к вопросу о нарушении закона Ома в случае полупроводников. Как известно, закон Ома утверждает, что сила тока, протекающего по проводнику, пропорциональна приложенной разности потенциалов, причем коэффициент пропорциональности — проводимость — есть величина, не зависящая от величины напряжения. Для металлов это справедливо с большой степенью точности; во всяком случае при увеличении напряжения наступает значительно раньше разрушение материала проводника (благодаря выделению большого количества теплоты), чем удается заметить отступление от закона Ома. В полупроводниках это не так. При повышении напряжения, приложенного к полупроводнику, уже довольно скоро обнаруживается более быстрый рост тока, чем это следовало бы по закону Ома. Это значит, что проводимость, входящая в виде коэфициента пропорциональности в математическое выражение закона Ома, растет с повышением напряжения.

С развитой выше точки зрения это может означать, что большие электрические напряжения могут оказаться одним из тех факторов, которые приводят к увеличению числа свободных электронов проводимости или «электронных дырок», а это и приведет к увеличению проводимости.

В заключение остановимся на двух эффектах, имеющих место в пограничном слое полупроводник — металл. Это — выпрямление переменного тока и возникновение ЭДС при освещении полупроводника.

Для того чтобы электрическая цепь обладала выпрямляющими (вентильными) свойствами, нужно, чтобы один из ее участков обладал различным сопротивлением для токов противоположного направления. Оказывается, что граница, на которой осуществляется контакт между полупроводником и металлом, при некоторых условиях обладает этим свойством. В частности, если медную пластинку поместить в печь при температуре около 1000° С, то на поверхности меди образуется слой закиси меди Сu2О. Граница между слоем закиси меди и неокислившейся еще медью обладает способностью выпрямлять переменный ток. Интересно, что если границу образовать иным образом, например, слой закиси меди прочно прижать к медной пластинке, то никакого выпрямления на такой границе получить не удастся.

Точно также и при изготовлении селенового выпрямителя нужно соблюдать определенный технологический режим. Обычно такие выпрямители изготовляются следующим образом: аморфный селен (непроводящий) путем испарения в вакууме наносится на металлическую пластинку. После того как получен слой достаточной толщины, металлическая пластинка с нанесенным слоем аморфного селена вынимается из вакуумной установки и подвергается термической обработке в специальной печи при температуре около 200° С. При этом аморфный селен переходит в кристаллическую модификацию, которая обладает полупроводящими свойствами, а контакт с металлической пластинкой является вентилем.

Следовательно, для того чтобы контакт был вентилем, нужно, чтобы он был особым образом устроен.

Подробные исследования позволили значительно проникнуть в тайну устройства этого контакта. Выяснилось, что на границе полупроводник металл образуется очень тонкий слой (толщиною (10-5- 10-6 cm), не обладающий проводящими свойствами (запорный слой). Во всех тех случаях, когда контакт представлял собой вентиль, необходимо было наличие такого слоя.

В дальнейшем, однако, оказалось, что запорвый слой устроен гораздо сложнее.

Детальные исследования медно-закисных выпрямителей обнаружили, что плохопроводящий слой отстоит на некотором (очень малом) расстоянии от металла. Сопротивление закиси меди, граничащей с металлом, в зависимости от расстояния X от границы представляется кривой, изображенной на рис. 4. При этом оказалось, что закись меди по обе стороны от запорного слоя обладает проводимостью различного рода. В слое, прилегающем к металлу, закись меди обладает нормальной электронной проводимостью, в то время как по другую сторону от запорного слоя имеет место «дырочная» проводимость.

Причину такой сложной структуры слоя полупроводника, прилегающего к металлу, удалось объяснить тем, что здесь имеет место проникновение в полупроводник различных примесей, обусловливающих различный характер проводимости. Со стороны меди в закись меди на некоторую глубину проникают атомы меди, которые играют роль примеси, отдающей свои электроны в зону проводимости и таким образом обусловливающей нормальную электронную проводимость. Внешняя же сторона закиси меди оказывается обогащенной избыточным кислородом, который является примесью, обеспечивающей «дырочный» характер проводимости. В том тонком слое, где оба типа примесей содержатся в равном количестве, мы имеем дело как бы с чистой закисью меди, т. е. с очень плохим проводником.

Характер технологического процесса, применяющегося при изготовлении селенового выпрямителя, позволяет думать, что структура запорного слоя в нем аналогична структуре запорного слоя в медно-закисном выпрямителе.

Качественную сторону теории выпрямления на запорном слое такой структуры можно себе представить так. Пусть осуществлен контакт между двумя полупроводниками I и II. В полупроводнике I ток осуществляется «электронными дырками», а во II — электронами. Концентрация «дырок» в одном и электронов в другом полупроводнике зависит от температуры. Приложим к такой системе некоторое постоянное электрическое напряжение: к I плюс и к II минус. Тогда и «дырки» в I и электроны во II будут двигаться к контакту между полупроводниками. Встречаясь здесь, онн будут взаимно уничтожаться. Но так как во внешних частях полупроводников их достаточно много, то приток «дырок» и электронов не будет заметно уменьшаться и установится некоторый определенный ток.

Теперь переменим знак напряжения так, что к I будет приложен минус, а ко II — плюс. В этом случае как «дырки», так и электроны будут отсасываться от плоскости контакта и концентрация их вблизи контакта будет уменьшаться. А так как в единицу времени при данной температуре возникает вполне определенное количество «дырок» и электронов, то в результате очень скоро приконтактный слой настолько обеднеет, что ток сильно упадет. Таким образом мы приходим к требуемому результату: при одной и той же разности потенциалов ток через контакт в одном и другом направлении резко различен. Знак выпрямления оказывается таким, как это должно быть в соответствии с экспериментом.

Благодаря особенностям технологического процесса, применяющегося при изготовлении твердых выпрямителей, в приграничном слое металл — проводник осуществляется описанная нами схема.

Этот же слой обнаруживает и явление фотоэффекта. При освещении границы между полупроводником и металлом светом той или иной длины волны на этой границе возникает такая ЭДС, что металл оказывается заряженным отрицательно, а полупроводник — положительно. Существенно, чтобы граница между полупроводником и металлом обладала повышенным сопротивлением, т. е. чтобы контакт осуществлялся через запорный слой.

Сущность фотоэффекта на запорном слое заключается в том, что под действием света электроны из полупроводника перебрасываются через запорный слой в металл, в результате чего полупроводник и металл оказываются заряженными разноименно. Механизм этого явления по существу тот же, что и внешнего фотоэффекта с поверхности металла в пустоту или газ, однако он осложнен некоторыми дополнительными обстоятельствами.

Существенно, что в этих условиях фотоэффект с поверхности металла в полупроводник хотя принципиально и возможен, однако практически не осуществляется. Из-за значительной величины диэлектрической постоянной полупроводника выход электронов из металла сильно затрудняется. Для выхода же электронов из полупроводника в металл подобного затруднения не возникает.

Естественно, что возникающая фото ЭДС стремится рассосаться через границу металл — полупроводник. Для того чтобы это происходило в возможно меньшей степени, необходимо, чтобы граница обладала повышенным сопротивлением. Все же такое рассасывание через запорный слой имеет место и с этим следует считаться, выбирая в качестве регистратора фтототока прибор с возможно меньшим сопротивлением. В этом случае коэфициент полезного действия фотоэлемента будет выше.

Удельным сопротивлением вещества называется сопротивление кубика со стороной в 1 см. Oно измеряется в омо-сантиметрах (Ohm/sm). Электрической проводимостью вещества называют величину, обратную удельному сопротивлению.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 2 номер 1947 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.