Model Energetyczny Pojedynczego Atomu

Półprzewodniki
Model energetyczny pojedynczego atomu
Pojedynczy atom może znajdować się w jednym z wielu stanów o różnych energiach, gdyż
elektrony znajdujące się w przestrzeni wokół jądra atomowego zajmują określone poziomy
energetyczne. Położenie elektronu na danym poziomie określa się za pomocą liczb kwantowych.
Gdy elektrony są w konfiguracji odpowiadającej najniższej energii, cały atom jest w stanie o
najniższej energii, zwanym stanem podstawowym. Elektrony zajmują wszystkie najniższe
poziomy, zgodnie z tzw. zakazem Pauliego. Na rysunku 4.1 przedstawiono jednowymiarowy
model energetyczny pojedynczego atomu.
Niebieskie kreski poziome odpowiadają dozwolonym poziomom energii (w modelu Bohra
kreski te odpowiadają całkowitym energiom elektronów znajdujących się na tzw. orbitach
dozwolonych). Przedziały energii, których elektrony nie mogą posiadać, oddzielające od siebie
dozwolone poziomy energetyczne, nazywamy pasmami zabronionymi.
Model energetyczny ciała stałego
W ciele stałym elektrony są ułożone w sieci krystalicznej tak blisko siebie, że ich oddziaływanie powoduje przesunięcia i
rozszczepianie poziomów energetycznych. Przeanalizujmy dokładniej zjawisko rozszczepiania się poziomów dozwolonych
dwóch atomów w procesie krystalizacji. Jeśli przechodzenie materii do stałego stanu skupienia wiąże się z tworzeniem sieci
krystalicznej, wówczas odległości pomiędzy atomami zwykle maleją (k2 < kj. Przy ich zbliżaniu ku sobie dozwolone poziomy
energetyczne rozsuwają się nieznacznie wzdłuż osi energii (rys. 4.2). Po uformowaniu sieci krystalicznej odległość pomiędzy
atomami jest na tyle mała, że stykające się poziomy energetyczne atomów tworzą jeden wspólny poziom (rys. 4.3). Gdyby nie
nastąpiło wcześniej rozsunięcie dozwolonych poziomów energetycznych atomów, to na utworzonym wspólnym poziomie
energetycznym mogłyby się znaleźć dwa elektrony o takim samym komplecie liczb kwantowych, a to oznaczałoby naruszenie
zakazu Pauliego, co jest niemożliwe.
Stykające się poziomy
energetyczne atomów w sieci
krystalicznej, znajdujących się
w odległości k0 od siebie, nie
tylko rozsuwają się, ale i
każdy z nich rozprzestrzenia
się na wszystkie pozostałe
atomy danego kryształu. W
ten
sposób
każą
atom
kryształu zyskuje tym więcej
poziomów dozwolonych energii, im więcej atomów znajduje się w danym krysztale (rys. 4.4). Poziomy te tworzą w każdym
atomie na miejscu pojedynczych poziomów dozwolonych całe pasma dozwolone o znacznej szerokości. Zamiast jednego stanu
o najniższej energii mamy teraz pasmo walencyjne (podstawowe) stanów, w których elektrony są
zwykle związane z "macierzystymi" atomami. Powyżej
tego pasma jest usytuowane pasmo przewodnictwa, w
którym mogą znaleźć się elektrony swobodne wyrwane z
sieci krystalicznej. Odstęp między tymi pasmami nosi
nazwę pasma zabronionego (lub przerwy zabronionej).
Ze względu na sposób zapełniania elektronowych
pasm energetycznych możemy dokonać podziału ciał
stałych na przewodniki, izolatory oraz tzw.
półprzewodniki (rys. 4.5).
W przypadku przewodnika
(np.
w
metalu)
pasma
przewodnictwa i walencyjne
zachodzą na siebie i nie ma
jasnego rozróżnienia między
tymi
pasmami;
pasmo
walencyjne nie jest całkowicie
wypełnione i dowolnie niska
energia pozwala elektronowi
przemieszczać się swobodnie.
Nie ma przerwy energetycznej,
którą trzeba przezwyciężyć dla
uwolnienia elektronu, więc
1
Półprzewodniki
opór elektryczny przewodnika nie jest duży.
W izolatorze niemal puste pasmo przewodnictwa jest oddzielone od wypełnionego pasma walencyjnego znaczną przerwą, w
której nie ma poziomów dozwolonych dla elektronów. Tylko niewiele elektronów uzyskuje w ruchu termicznym tak wysoką
energię, aby przejść do pasma przewodnictwa. Zatem niewiele elektronów w izolatorze może się swobodnie poruszać (w
temperaturze zera bezwzględnego nie byłoby ich wcale!), więc opór izolatora jest bardzo duży. Wzrost temperatury zwiększa
liczbę elektronów w paśmie przewodnictwa, co zmniejsza opór, ale w temperaturze pokojowej jest on nadal bardzo duży.
W półprzewodniku szerokość pasma zabronionego jest mniejsza niż w izolatorze, co umożliwia elektronom o większej
energii kinetycznej przejście z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa. Opór półprzewodnika jest zatem znacznie
mniejszy od oporu izolatora.
Półprzewodniki samoistne
Półprzewodniki tworzą zwartą grupę pierwiastków przedstawioną na rysunk.
4.6 w ciemniejszych polach tabeli, stanowiącej część układu okresowego pierwiastków. Do tej grupy należą także tlenki, siarczki, tellurki i selenki wielu metali.
W temperaturze bliskiej zera bezwzględnego wszystkie elektrony v, krysztale są
związane z atomami. Aby elektron mógł przedostać się z pasma walencyjnego do
pasma przewodnictwa, musi uzyskać tzw. energię aktywacji, która wynosi tyle, co
wyrażona w elektronowoltach szerokość pasma wzbronionego. Samoistny
półprz
ewodnik, taki jak np. krzem, ma energię aktywacji
równą około 1,1 eV. Jednak w temperaturze
pokojowej (ok. 300 K) średnia energia ruchu
termicznego to tylko 0,026 eV, więc nadal tylko
nieliczne elektrony o wyjątkowo wysokiej energii
mogą „przeskoczyć" przerwę zabronioną i dlatego
pasmo przewodnictwa w krzemie jest prawie puste.
Półprzewodnik zachowuje się wtedy jak izolator. W
wyższych temperaturach liczba elektronów w
paśmie przewodnictwa rośnie, więc opór
półprzewodnika maleje.
Najszersze
zastosowanie
w
produkcji
przyrządów półprzewodnikowych znalazł krzem,
między innymi ze względu na jego powszechne
występowanie. Sieć krystaliczna krzemu jest tak
zbudowana, że każdy atom, mając cztery elektrony
walen-cyjne, ma równocześnie czterech sąsiadów rozmieszczonych w wierzchołkach czworościanu foremnego (rys. 4.7 a), z
którymi jest powiązany za pomocą par elektronów wspólnych dla sąsiadujących atomów, tworzących tzw. wiązania
kowalencyjne. Taki czworościan z charakterystycznym układem atomów tworzy tzw. komórkę elementarną. Zbiór komórek
elementarnych, ułożonych względem siebie równolegle i ściśle wypełniających przestrzeń, buduje trójwymiarową sieć krzemu.
Na rysunku 4.37 b przedstawiono rzut prostokątny sieci przestrzennej na płaszczyznę kartki. W dalszej części podręcznika
będziemy się posługiwali takim płaskim schematem sieci krystalicznej.
Półprzewodniki domieszkowe (niesamoistne)
W omawianych półprzewodnikach samoistnych zakładaliśmy istnienie doskonałej regularnej struktury. W rzeczywistości w
sieci krystalicznej mogą występować różne defekty w postaci tzw. atomów międzywęzłowych, braku atomów w poszczególnych węzłach sieci, czyli luk, oraz domieszek, które stanowią atomy innego pierwiastka zastępujące atomy pierwiastka
podstawowego w węzłach sieci. Nieregularności w sieci krystalicznej półprzewodnika, wynikające z niedoskonałości procesu
technologicznego noszą nazwę zanieczyszczeń, natomiast te, które wprowadza się celowo, nazywamy domieszkami. Okazuje
się, że domieszki atomów obcej
substancji zmieniają dramatycznie
własności
elektryczne
półprzewodników i to właśnie
zjawisko zostało wykorzystane
przez współczesną elektronikę.
Jeśli do fazy ciekłej danej
substancji
wprowadzimy
domieszkę
atomów
innej
substancji,
to
w
procesie
krystalizacji obce atomy mogą
zajmować miejsca w węzłach sieci
krystalicznej w podobny sposób,
jak atomy macierzyste. Kryształy
półprzewodnikowe zawierające w
2
Półprzewodniki
poszczególnych węzłach sieci wtrącone obce atomy nazywają się półprzewodnikami domieszkowanymi.
Kiedy w takim krysztale umieścimy atom z pięcioma elektronami walencyjnymi (atomy należący do V grupy układu
okresowego, np. arsen), piąty elektron nie weźmie udziału w wiązaniu kowalencyjnym i będzie słabo związany z jądrem, dlatego
potrzeba niewielkiej energii do zerwania tego wiązania (rys. 4.8). Taki elektron znajduje się w stanie o energii tuż poniżej pasma
przewodnictwa, na które może łatwo „wskoczyć", jeśli uzyska dość energii termicznej (rys. 4.9). Tak więc ten „nadmiarowy"
elektron może swobodnie poruszać się w krysztale. Skoro elektrony mają ujemny ładunek, więc taki półprzewodnik nazywamy
półprzewodnikiem typują (od pierwszej litery angielskiego słowa negative- ujemny), a atom domieszki zaopatrujący sieć
krystaliczną w elektron swobodny nazywa się donorem (z łac. donare-dawać, dostarczać).
Jeżeli krzem domieszkujemy atomami o trzech elektronach walencyjnych (atomy należące do III grupy układu okresowego, np.
ind), wtedy jedno z wiązań atomu domieszkowego z sąsiadującym atomem sieci będzie niepełne, pojawi się brak jednego
elektronu, czyli tzw. dziura w rozkładzie ujemnie naładowanych elektronów (rys. 4.10). Elektron walencyjny z sąsiedniego
atomu krzemu może wypełnić tę dziurę, tworząc jon ujemny indu, ale wtedy zostawi nową dziurę w miejscu, gdzie
się pierwotnie znajdował. Dziura może się więc poruszać podobnie jak elektron, a skoro odpowiada brakowi ujemnie
naładowanego elektronu, zachowuje się jak nośnik dodatniego ładunku. Zakłócenie sieci krystalicznej krzemu atomami
się pierwotnie znajdował. Dziura może się więc poruszać podobnie jak elektron, a skoro odpowiada brakowi ujemnie
naładowanego elektronu, zachowuje się jak nośnik dodatniego ładunku. Zakłócenie sieci krystalicznej krzemu atomami domieszkowymi z III grupy powoduje powstanie w jego paśmie zabronionym lokalnych poziomów energetycznych, położonych
zaledwie o kilka setnych części elektrono-wolta powyżej pasma podstawowego (rys. 4.11). Swobodne elektrony mogą przeskakiwać na te poziomy, pozostawiając w paśmie walencyjnym dziury. Pod wpływem pola elektrycznego elektrony te mogą
poruszać się ruchem uporządkowanym, co jest równoznaczne z ruchem dziur w przeciwną stronę. Taki półprzewodnik nazywamy półprzewodnikiem typu p (od angielskiego słowa positive - dodatni), a atom domieszki zaopatrujący sieć krystaliczną
w dziury przez wychwycenie elektronów nazywa się akceptorem (z łac. accipere - brać, przyjmować).
Złącze p-n, dioda półprzewodnikowa
Diodę stanowią dwa półprzewodniki, jeden typu n, drugi typu p,
zetknięte ze sobą. Układ taki nazywamy złączem p-n. Rysunek 4.12
pokazuje symbol diody półprzewodnikowej. Na rysunku 4.13
mamy przedstawiony w przekroju fragment kryształu, którego
jedna część wykazuje przewodnictwo dziurowe (typ p), a druga elektronowe (typ n). Przed zetknięciem każdy z obszarów jest
elektrycznie obojętny, ponieważ w półprzewodniku typu p ładunek dziur jest
skompensowany przez ładunek ujemnych jonów akceptora, a w półprzewodniku typu
n ładunek swobodnych elektronów jest skompensowany przez ładunek dodatnich
jonów donora. Po zetknięciu, w pobliżu styku takich dwóch obszarów występuje duża
różnica w koncentracji swobodnych elektronów po obu stronach złącza.
Skoro struktura kryształu jest ciągła, przez granicę zetknięcia obu obszarów
elektrony mogą przechodzić z półprzewodnika typu n do półprzewodnika typu p,
dzięki zjawisku dyfuzji. Z kryształu typu p do kryształu typu n przechodzą dziury.
Elektrony (po przejściu) rekombinują z dziurami, a dziury (po przejściu) z
elektronami; rekombinacja ta zachodzi w cienkiej warstwie blisko granicy zetknięcia.
Ładunek jonów dodatnich i ujemnych po obu stronach granicy nie jest teraz
skompensowany ładunkiem nośników przeciwnego znaku. Zatem ładunki dodatnie i
ujemne w złączu to ładunki jonów donora i akceptora. W wyniku tego powstaje tzw.
3
Półprzewodniki
warstwa zaporowa o bardzo dużym oporze, bo w jej obszarze nie ma prawie nośników ładunku; obszar typu p ma niższy
potencjał elektryczny od obszaru typu n. Powstała różnica potencjałów nosi nazwę bariery potencjału, gdyż zapobiega
dalszemu przenoszeniu elektronów (rys. 4.14). Dla typowych złączy krzemowych szerokość warstwy zaporowej waha się
granicach od 0,l/<m aż do O.S/im, a bariera potencjału może mieć w temperaturze pokojowej wartość od 0,1V do 0,3V i
zmniejsza się przy wzroście temperatury o ok. 2,3 mV/K
Na rysunku 4.15 pokazano dwa sposoby podłączenia diody do obwodu elektrycznego. Jeśli do złącza przyłożymy zewnętrzne napięcie tak, że dodatni biegun źródła napięcia połączony jest z obszarem p, a ujemny z obszarem n, to zmniejszymy
wewnętrzną różnicę potencjałów i w efekcie elektrony przyciągane przez biegun dodatni źródła będą „przeskakiwać" barierę
potencjału z n do p (zauważ, że dziury będą dążyć w kierunku przeciwnym z p do n). Przeskakujące nośniki ładunku
rekombinują z nośnikami przeciwnego rodzaju, tzn. elektrony wypełniają dziury w półprzewodniku p, natomiast dziury w
półprzewodniku n są zapełniane przez elektrony. Wskutek tego przez złącze popłynie prąd, którego nośnikami będą elektrony i
dziury poruszające się w kierunkach przeciwnych. Mówimy, że takie napięcie polaryzuje diodę w kierunku przewodzenia.
Jeśli diodę podłączymy do obwodu odwrotnie, tzn. obszar p połączymy z ujemnym biegunem źródła, a obszar n z dodatnim, to
elektrony i dziury będą odciągane od złącza. Wskutek tego warstwa zaporowa poszerzy się; jej opór elektryczny wzrośnie. Prąd
płynący przez złącze jest w tym przypadku bardzo słaby. Mówimy, że takie napięcie polaryzuje diodę w kierunku
zaporowym. Omówione zjawiska można zilustrować wykresem przedstawiającym zależność natężenia prądu płynącego przez
złącze p-n od przyłożonego do tego złącza napięcia zewnętrznego, czyli tzw charakterystykę statyczną diody
półprzewodnikowej (rys. 4.16). Część wykresu położona w pierwszej ćwiartce układu współrzędnych odnosi się do sytuacji, gdy
dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia
, natomiast pozostała część wykresu do sytuacji, gdy dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym. W drugim przypadku
Rys. 4.16
przez złącze płynie słaby prąd, tzw. prąd wsteczny. Przy wzroście napięcia zewnętrznego, polaryzującego diodę w kierunku
zaporowym, pojawia się taka jego wartość, przy której na skutek silnego pola elektrycznego gwałtownie wzrasta natężenie prądu
płynącego przez złącze i warstwa zaporowa ulega trwałemu uszkodzeniu (zjawisko przebicia).
Reasumując można powiedzieć, że dioda półprzewodnikowa funkcjonuje tak, jak zawór jednokierunkowy, tzn. wykazuje
bardzo duży opór, jeśli jest spolaryzowana w kierunku zaporowym i znikomy opór, jeśli jest spolaryzowana w kierunku
przewodzenia. Oczywiście zależność / od U nie jest
liniowa - do diody nie stosuje się prawo Ohma.
Zastosowania diody półprzewodnikowej
Opisane
własności
diody
stanowią
ojej
zastosowaniach między innymi w tzw. prostownikach,
których zadaniem jest prostowanie, czyli proces
zamiany prądu przemiennego na stały. Jest to
szczególnie istotne w praktyce, gdyż funkcjonowanie
ogromnej większości urządzeń elektronicznych
wymaga prądu stałego, jeśli więc zasilamy je z sieci
prądu przemiennego, konieczne są odpowiednie
prostowniki. Najprostszym układem prostowniczym
jest tzw. układ jednopołówkowy, w którym
stosowana jest tylko jedna dioda (rys. 4.17). Jak
pokazano na rysunku, tylko dodatnia część sygnału
przechodzi przez diodę i na wyjściu układu
otrzymujemy napięcie pulsujące.
Gdy do układu podłączymy tylko kondensator
(rys. 4.18), to wtedy na wyjściu otrzymamy stałe
napięcie, bo układ nie jest obciążony (do wyjścia
4
Półprzewodniki
układu nie podłączono żadnego urządzenia) i prąd
nie jest pobierany. Po obciążeniu wyjścia układu
przez podłączenie jakiegoś urządzenia o oporze
ff(rys. 4.19), w przerwach między dodatnimi
półokresami
napięcia
kondensator
będzie
częściowo rozładowywany. W takim przypadku
napięcie wyjściowe ma stały znak, ale nadal
zmienną wartość, czyli otrzymujemy tzw.
tętnienie, które można jednak zmniejszyć, stosując
kondensator o bardzo dużej pojemności
elektrycznej. Niestety napięcie wyjściowe silnie
zależy od oporu elektrycznego urządzenia
podłączonego do wyjścia, co jest
istotną wadą tego typu prostowników
i dlatego w praktyce stosuje się
układy dwu-połówkowe. Schemat
takiego prostownika przedstawiono
na rysunku 4.20.
Układ zawiera dwie diody i specjalny transformator mający uzwojenie wtórne z przewodem włączonym w połowie
uzwojenia wtórnego, tzw. odczepem. Napięcia występujące na końcach uzwojeń są w przeciwnej fazie (fazy przesunięte o
180°). Oznacza to, że w chwili, gdy na jednej części uzwojenia wtórnego pojawia się połówka sinusoidy dodatnia względem
odczepu środkowego, to na drugiej
części pojawia się połówka ujemna
względem tego odczepu. W czasie
trwania pierwszej połowy okresu
napięcia wejściowego przewodzi dioda
D± i prąd płynie przez górną część
uzwojenia transformatora. W czasie
trwania drugiej połowy okresu napięcia
wejściowego przewodzi dioda D2 i prąd
płynie przez dolną część uzwojenia
wtórnego. Aby je „wygładzić", dodaje
się kondensator, tak jak w przypadku
prostowników jednopołówkowych.
Oprócz funkcji prostowniczych diody mogą jeszcze pełnić w obwodach elektronicznych także inne funkcje, takie jak np.:
• detekcyjna w radioodbiornikach, polegająca na wydzielaniu sygnałów niskiej, akustycznej częstotliwości z sygnałów wysokiej
częstotliwości;
• stabilizacyjna w układach zasilaczy (diody Zenera), polegająca na utrzymaniu stałego napięcia
elektrycznego na wyjściu tych urządzeń;
• strojeniowa w telewizorach i odbiornikach radiowych (diody pojemnościowe, w których złącze
p-n zmienia pojemność elektryczną zależnie od napięcia
polaryzującego);
• sterująca w obwodach elektronicznych (tyrystory i triaki diody wyposażone w dodatkową elektrodę sterującą, tzw. bramkę; przewodzenie prądu przy
polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia następuje dopiero wtedy, gdy bramka otrzyma
odpowiedni impuls elektryczny; triaki przewodzą prąd przy dowolnej polaryzacji i dzięki
temu mogą być stosowane w regulatorach prądu przemiennego, np. w domowych
ściemniaczach).
Ciekawym elementem półprzewodnikowym jest dioda elektroluminescencyjna,
tzw.dioda LED, zwana również świecącą (ang. LED - Light Emitting Diodę) zaliczana
obecnie do najpopularniejszych elementów optoelektronicznych stosowanych w
5
Półprzewodniki
wyświetlaczach budzików cyfrowych oraz w radioodbiornikach, systemach audio i wideo czy komputerach.
Na rysunku 4.21 przedstawiono budowę typowej diody świecącej oraz jej symbol graficzny.
Jaki jest mechanizm emisji światła? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy wrócić jeszcze raz do teorii pasmowej
półprzewodników. Wiesz już,
że w przypadku, gdy dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, to nośniki prądu (elektrony i dziury) uzyskują energię
elektryczną ze źródła zewnętrznego i są „wstrzykiwane" przez złącze p-n, a następnie rekombinują z nośnikami przeciwnego
rodzaju. Przeskok elektronu z pasma
walencyjnego do pasma przewodnictwa
wymaga pewnej energii powodującej
generację pary elektron-dziura. Jeśli
elektron, w procesie odwrotnym, spada w
dół z pasma przewodnictwa, aby wypełnić
dziurę w paśmie walencyjnym, to energia
jest oddawana i w zwykłych złączach p-n
powoduje wzrost energii wewnętrznej
diody. W diodach LED część tej energii
zamienia się w energię świetlną i jest
emitowana na zewnątrz złącza w postaci
fotonów. Długość fali światła zależy od energii emitowanych fotonów, a ta z kolei zależy od szerokości pasma zabronionego.
Większość emitowanych fotonów nie dochodzi do powierzchni diody, gdyż materiał półprzewodnikowy jest nieprzeźroczysty,
dlatego obszary n i p powinny być bardzo cienkie, tak by złącze p-n znajdowało się możliwie najbliżej powierzchni diody; w
praktyce jeden z półprzewodników tworzących złącze ma grubość zaledwie 1 m. Diody elektroluminescencyjne mogą
pracować w sposób ciągły, ale w praktyce najczęściej odbywa się to impulsowo. Jeśli częstotliwość impulsów jest odpowiednio
duża (powyżej 50 Hz), wtedy dzięki bezwładności wzroku powstaje wrażenie ciągłego świecenia. Taki sposób pracy pozwala na
zwiększenie natężenia prądu płynącego przez diodę bez obawy uszkodzenia złącza p-n wskutek przegrzania się, np. dioda
pracująca impulsowo, przez którą przepływa prąd o natężeniu dwukrotnie większym od natężenia prądu płynącego przez diodę
działającą w sposób ciągły będzie świeciła jaśniej, przy tym samym wzroście energii wewnętrznej. Diody LED są tanie, bardziej
odporne na wstrząsy i mają zdecydowanie dłuższą żywotność w porównaniu ze zwykłymi żaróweczkami, dlatego coraz częściej
zastępują te ostatnie w praktycznych zastosowaniach.
W rozdziale poświęconym złączu p-n nie sposób też pominąć ogniw fotoelektrycznych, powszechnie zwanych bateriami
słonecznymi, które przekształcają energię świetlną wprost na energię elektryczną. Na rysunku 4.22 pokazano budowę typowego
krzemowego ogniwa fotoelektrycznego i jego symbol graficzny.
Takie ogniwo wykonuje się z półprzewodnika typu p pokrytego warstwą półprzewodnika typu n o grubości tylko 1 m, a więc
wystarczająco cienką, aby móc łatwo przepuścić światło dochodzące do warstwy zaporowej. Zaabsorbowane fotony dostarczają
elektronom z pasma podstawowego energię wystarczającą na przejście do pasma przewodnictwa, przy czym w paśmie
podstawowym pozostaje dziura. Zatem w warstwie zaporowej tworzą
się dodatkowe nośniki prądu
(elektrony i dziury) i pod wpływem
wewnętrznego pola elektrycznego w
warstwie następuje dyfuzja dziur do
obszaru p półprzewodnika, a
elektronów do obszaru n. Elektrony,
które przeszły do obszaru n ładują tę
część półprzewodnika ujemnie,
natomiast dziury ładują obszar p
półprzewodnika dodatnio. Pomiędzy
obiema częściami półprzewodnika powstaje więc różnica potencjałów, powodująca polaryzację złącza p-n w kierunku
przewodzenia. Takie zjawisko nazywa się zjawiskiem fotoelektrycznym wewnętrznym. Jeśli obszary p i n połączymy
przewodem na zewnątrz ogniwa to popłynie prąd w kierunku przeciwnym do kierunku przewodzenia diody.
Tranzystor
Tranzystor jest elementem półprzewodnikowym pozwalającym sterować przepływem prądu w
obwodach elektrycznych. Jego angielska nazwa transistor pochodzi od słów transfer- przekaz i
resistor- opornik. Elementarna struktura tzw.
tranzystora bipolarnego stanowi układ trzech stykających się warstw półprzewodnikowych, kolejno
n-p-n (tranzystor typu n) lub p-n-p (tranzystor typu p). Te warstwy epitaksjalne (od greckich słów
„epi" czyli „na" i „taxis" czyli „ułożone") tworzy się tak, aby zachować strukturę monokrystaliczną.
Zasadę działania przedstawimy na przykładzie tranzystora n-p-n. Na rysunku 4.23 przedstawiono
obwód takiego tranzystora. Obszar typu n (z lewej strony) nosi nazwę emitera, czyli obszaru
wprowadzającego nośniki (w tym przypadku elektrony) do obszaru bazy; kolektor jest natomiast
końcowym elementem tranzystora, zbierającym nośniki. Emiter jest silnie domieszkowany, więc
6
Półprzewodniki
jest bogaty w ruchome nośniki ładunków i ma mały opór elektryczny. Bardzo cienka baza jest lekko domieszkowana podobnie
jak znacznie szerszy kolektor. Podczas pracy tranzystora jego elektrody są podłączone do źródeł napięć tak, by emiter miał
potencjał ujemny, a kolektor dodatni w stosunku do bazy, wówczas złącze na granicy emiter-baza jest spolaryzowane w
kierunku przewodzenia, natomiast złącze na granicy baza-kolektor odwrotnie, czyli w kierunku zaporowym. W efekcie
elektrony płyną swobodnie z emitera do bazy, co powoduje, że w różnych miejscach bazy występuje różna liczba elektronów;
w pobliżu emitera jest ich więcej niż w pobliżu kolektora. Taki rozkład ładunku w bazie sprzyja dyfuzji elektronów w
kierunku kolektora. Ze względu na małą szerokość bazy, zaledwie nieliczne elektrony wypełniają dziury w jej obszarze (czas
rekombinacji dziur w bazie jest znacznie dłuższy niż czas ich dyfuzji przez bazę), natomiast znaczna większość dociera do
złącza między bazą a kolektorem i może przez to złącze przeskakiwać, gdyż jest „wciągana" przez kolektor (potencjał kolektora jest wyższy od potencjału bazy). Gdy w bazie zmniejszy się liczba dziur, to w efekcie skumuluje się tam ujemny ładunek,
który hamuje dopływ elektronów z emitera do bazy (i w konsekwencji do kolektora). Stosunkowo niewielki ładunek
zgromadzony na bazie może zatem silnie ograniczać duży prąd z emitera do kolektora IK, którego przepływ mogło zapewnić
zewnętrzne źródło napięcia. Dostarczenie dziur do bazy tranzystora (usunięcie z niej elektronów) może się odbyć przez
zwiększenie napięcia zewnętrznego przyłożonego do emitera i bazy, co spowoduje obniżenie bariery potencjału na złączu
emiter-baza, wtedy znacznie wzrośnie natężenie prądu kolektora IK.
Reasumując, natężenie prądu płynącego przez kolektor może być regulowane przez niewielką zmianę napięcia
polaryzującego złącze emiter-baza, czyli przez zmianę nawet bardzo słabego prądu płynącego przez bazę.
Ze względu na swoje własności tranzystor jest podstawowym elementem tzw. wzmacniaczy, czyli układów, w których
słaby wejściowy prąd sygnału jest wzmacniany w postaci prądu wyjściowego o identycznym kształcie.impulsu, ale o znacznie
większym natężeniu. Na rysunku 4.24 przedstawiono schemat najprostszego jednotranzystorowego wzmacniacza, pracującego
w tzw. układzie wspólnej bazy.
Mikrofon wysokiej
jakości
wytwarza
napięcie rzędu zaledwie
kilku
dziesiątych
mikrowolta lub mniej.
Takie znikome napięcie
jest o wiele za niskie,
aby wywołany przez nie
prąd był w stanie
uruchomić
słuchawki
czy głośnik. Sygnały
wytwarzane
przez
mikrofon
są
więc
najpierw kierowane do wzmacniacza i dopiero po ich odpowiednim wzmocnieniu mogą być dalej wykorzystane do
zasilania głośnika. W praktyce wzmacniacze stanowią złożone układy elektroniczne, zbudowane nie tylko z
tranzystorów, ale także z innych elementów, takich jak oporniki, cewki czy kondensatory.
7