Документ описывает основы полупроводниковой электроники, включая принципы работы p-n-переходов, которые являются фундаментом для светодиодов и фотогальванических элементов. Упоминаются принципы прямого и обратного включения p-n-переходов, а также их применение в различных устройствах, таких как диоды, солнечные батареи и LED-лампы. Документ также включает информацию о преимуществах светодиодов и их широкой применения в современных устройствах.

1. Урок 1. 6. p-n-связь. Основы полупроводниковой электроники.
Светодиод и вентильный фотоэлемент (фотоэлектрический элемент)
Аннотация
Объясняется, что основой полупроводниковой электроники является
p-n- переход как соединение полупроводников с различными типами
проводимости; объясняется с помощью рисунков поведение p-n-
перехода при приложении прямого и обратного напряжения.
Описывается работа p-n-перехода в светодиоде и вентильном
фотоэлементе (фотоэлектрическом элементе)
Чтобы во время выполнения лекции у Вас под рукой был текст
лекции, надо нажать слева на «Щелкните здесь для просмотра этой
лекции (файла)». Необходимо чтобы у Вас на компьютере в
настройках браузера было разрешение на всплывающие окна, иначе
файл не откроется. Файл откроется в выпадающем окне, размеры
которого можно настроить.
Предполагается, что Вы должны ответить на вопросы после
прохождения каждой Страницы лекции. Баллы, полученные Вами за
выполнение каждого задания, суммируются. Попытайтесь
самостоятельно найти ответ на поставленный вопрос, перечитывая и
обдумывая ещё раз соответствующий теоретический материал. Если
Вам это сделать не удаётся, задайте свой вопрос учителю по e-
mail: salima.ader@gmail.com или по Skype: salima.ader.
Или обсудите возникшую проблему с другими учащимися на общем
форуме или чате. За всю Лекцию баллы складываются и заносятся
автоматически в журнал оценок.
Страница 1.6.1. p-n-связь. Основы полупроводниковой электроники
http://school.xvatit.com/index.php?title
Границу полупроводников разных типов называют p - n -переходом.
При установлении контакта между полупроводниками p - и n -типов через их границу
начнут диффундировать электроны проводимости и дырки. Этот процесс будет
обусловлен тем, что концентрация этих носителей в разных полупроводниках различна.
Электроны из n -полупроводника будут диффундировать в p -полупроводник и перенесут
туда избыточный отрицательный заряд. В обратном направлении через p - n -переход
пойдут дырки с избыточным положительным зарядом. В результате полупроводник n -
типа заряжается положительно, а полупроводник p -типа – отрицательно (рис. 1).
1

2. Рис. 1
По мере протекания диффузии, дырки скапливаются около границы в полупроводнике n -
типа, а электроны - в полупроводнике p -типа. Напряжённость создаваемого ими поля
постепенно увеличивается и, в конце концов, принимает значение, при котором основные
носители зарядов уже не могут переходить через границу. Образуется запирающий слой.
Диффузия электронов и дырок через p - n -переход прекратится, когда скопившиеся в
пограничной области положительные и отрицательные носители заряда создадут
электрическое поле, препятствующее дальнейшему движению основных носителей заряда
через p - n -переход.
Прямое включение p - n -перехода.
При соединении полупроводника p -типа с положительным полюсом источника, а
полупроводника n -типа - с отрицательным полюсом, сопротивление получается малым,
потому что внешнее электрическое поле способствует перемещению основных носителей
заряда через p - n -переход. Такое включение полупроводника в электрическую цепь
называется прямым включением (рис. 2).
Рис. 2
При прямом включении полупроводника с p - n -переходом в электрическую цепь поле
Eст , создаваемое источником тока, направлено против поля запирающего слоя и
компенсирует его действие, препятствующее движению основных носителей заряда через
p - n -переход, что способствует электрическому току. С увеличением подаваемого
напряжения, ток в полупроводнике будет возрастать.
Обратное включение р-п-перехода.
2

3. При обратном включении p - n -перехода, когда отрицательный полюс подключен к
полупроводнику p -типа, а положительный - к полупроводнику n -типа, внешнее поле, как
и поле запирающего слоя, препятствует перемещению основных носителей заряда (рис.
3).
Рис. 3
Сопротивление полупроводника становится очень велико по сравнению с сопротивлением
при прямом включении. Ток, в данном случае, поддерживается благодаря перемещению
неосновных носителей заряда. Но их намного меньше, чем основных носителей.
В результате, обратный ток, называемый дрейфовым, будет очень небольшим,
значительно меньшим, чем при прямом включении.
Полупроводниковый диод.
Фактически полупроводник с p - n -переходом обладает односторонней проводимостью.
Поэтому его используют как основу в конструкции полупроводникового диода.
Полупроводниковый диод обладает рядом преимуществ, например, он гораздо
экономичнее, он миниатюрнее, что позволяет собирать с его использованием более
компактные приборы. Зависимость силы тока в полупроводниковом диоде от напряжения
отражает вольт-амперная характеристика. Следует отметить, что при определённом
значении напряжения при обратном включении происходит пробой p - n -перехода и
разрушение полупроводника (рис.4).
Рис. 4
Так, из вольт-амперной характеристики, изображённой на рисунке, следует, что пробой
наступает при обратном напряжении около 400 В.
На основе полупроводниковых кристаллов создаются интегральные микросхемы,
которые при своих миниатюрных размерах содержат огромное количество диодов,
транзисторов и других элементов. Только создание интегральных микросхем чипов
3

4. сделало возможным производство видео- и аудиотехники и многих сложнейших
устройств.
Страница 1.6.2. Светодиод и вентильный фотоэлемент
(фотоэлектрический элемент)
http://www.youtube.com/watch?v=nY_p4kkeoAM&feature=related Светодиоды - лампочки
будущего. Russian LEDs. 8.10
Полупроводниковая электроника сейчас используется везде, почти во всех сферах
человеческой деятельности. Электропроводность полупроводников занимает серединное
место между проводниками и изоляторами, что открывает широкие возможности для их
применения. Первые транзисторные радиоприемники были изготовлены с
использованием полупроводников. Полупроводники используются в микропроцессорах,
различных усилителях, переключателях и так далее. Так же они лежат в основе работы
светодиодов, которые в последнее время зачастую заменяют обычные лампы
накаливания: светодиоды более надёжны, долговечны и даже безопасны.
Light emitting diode (LED) – «светоизлучающий диод», давно и широко применяется в
бытовой технике, электронной аппаратуре. С развитием технологии светодиоды стали
использоваться ещё шире. Изначально светодиоды применялись в приборных панелях
автомобилей, различных табло и рекламных экранах, световых индикаторах
(индикаторные светодиоды). Сейчас они пригодны и для освещения (осветительные
светодиоды). Светоизлучающий диод – это диод полупроводникового типа, в котором
используется принцип p - n -перехода.
Светодиодная лампа
Светодиодная лампа серии LED-R для светильников направленного света (софитов).
4

5. Преимущества светодиодных ламп.
Светодиодные лампы быстро разгораются до полной яркости после включения.
Цветные светодиодные лампы обеспечивают ещё большую экономию, и дают свет яркого
насыщенного цвета.
Дело в том, что цветные светодиоды изначально дают цветной свет, а не
отфильтровывают его из белого с помощью цветного стёклышка.
Особенности:
o используется светодиоды типа SMD;
o устойчивы к механическим воздействиям (тряска, вибрация);
o сохраняет постоянную величину светового потока в течение всего срока службы;
o не содержит ртуть;
o не выделяет ультрафиолетового и инфракрасного излучения;
o энергопотребление на 90% меньше, по сравнению с лампой накаливания;
o высокий класс энергоэффективности – А;
o срок службы – 50 000 часов.
http://www.youtube.com/watch?v=z_fW-IzonCo&feature=related Сравнение светодиодных ламп
2.52
http://www.youtube.com/watch?v=5SPq9OAyVhE Сравнение светодиодной лампы и лампы
накаливания 60Вт 0.42
Полупроводниковые фотоэлементы.
Сконструированы полупроводниковые фотоэлементы, создающие ЭДС и непосредственно
преобразующие энергию излучения в энергию электрического тока. ЭДС, называемая в
данном случае фото ЭДС, возникает в области p - n -перехода двух полупроводников при
облучении этой области светом. Под действием света образуются пары электрон — дырка.
В области p - n -перехода существует электрическое поле. Это поле заставляет
неосновные носители полупроводников перемещаться через контакт. Дырки из
полупроводника n -типа перемещаются в полупроводник p -типа, а электроны из
полупроводника p -типа — в область n -типа, что приводит к накоплению основных
носителей в полупроводниках n -и p -типов. В результате потенциал полупроводника p -
типа увеличивается, а n -типа уменьшается. Это происходит до тех пор, пока ток
неосновных носителей через p - n переход не сравняется с током основных носителей
через этот же переход. Между полупроводниками устанавливается разность потенциалов,
равная фото ЭДС.
Если замкнуть цепь через внешнюю нагрузку, то в цепи пойдёт ток, определяемый
разностью токов неосновных и основных носителей через p - n -переход (рис. 11.5). Сила
тока зависит от интенсивности падающего света и сопротивления нагрузки R.
Фотоэлементы с p - n -переходом создают ЭДС порядка 1—2 В. Их выходная мощность
достигает сотен ватт при коэффициенте полезного действия до 20%.
5

6. Фотоэлементы малой мощности используются, например, в фотоэкспонометрах.
Особенно широко применяются полупроводниковые фотоэлементы при изготовлении
солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях (рис. 11.6). К сожалению,
пока такие батареи довольно дороги. Широко применяются вакуумные и
полупроводниковые фотоэлементы, которые создают фото ЭДС.
Рис. 27.5
Если в кристаллическом полупроводнике создать p - n -переход и осветить его, то число
свободных носителей заряда — электронов и дырок будет увеличиваться. Однако из-за
односторонней проводимости p - n -перехода электронный и дырочный токи, текущие в
противоположных направлениях, оказываются различными. Вследствие этого на p - n -
переходе создаётся напряжение, а если цепь замкнуть, то в ней потечёт ток.
В качестве примера (рис. 27.5) рассмотрим вентильный фотоэлемент, изготовленный из
металла 1 (например, меди), его окиси 2 и напылённого сверху прозрачного тонкого
золотого слоя 3. На границе между металлом и его окисью возникает p - n -переход,
пропускающий электроны из металла в окись, а дырки — из окиси в металл. Под
действием света число электронов и дырок возрастает и во внешней цепи через резистор
появляется ток, который течёт в указанном на рисунке направлении.
Опыт показывает, что сила тока вентильных фотоэлементов зависит от их освещённости:
с увеличением освещённости сила тока возрастает. Это позволяет использовать
фотоэлементы данного типа в качестве датчиков — реагирующих элементов в
автоматических устройствах, работающих под действием света, а также в качестве
фотоэкспонометров в фотоаппаратах.
http://www.home-edu.ru/user/f/00000951/27/files/fotoel.htm
6

7. Полупроводниковый диод и его применение
Полупроводниковым диодом называют устройство, содержащее полупроводниковый
кристалл с электронно-дырочным переходом. Такой диод имеет два вывода для
включения в цепь. Рис. 27.4.
На рисунке 27.4,а показан разрез полупроводникового диода. Его основными частями
являются: полупроводниковый кристалл 1 с p—n-переходом, выводы от кристалла 2,
кожух 3 и радиатор для отвода тепла 4. Основное свойство диода заключается в его
односторонней проводимости. Обозначение полупроводникового диода на электрических
схемах показано на рисунке 27.4,б.
Полупроводниковые диоды наиболее часто применяются для выпрямления переменного
тока. В радиоприемниках и телевизорах используются диоды разных типов. Мощные
диоды служат для выпрямления переменного тока городской сети, а маломощные — для
выпрямления принятых антенной радио- и телесигналов.
На практике широкое применение получили полупроводниковые фотоэлементы и
солнечные батареи в качестве источников тока.
Вентильный фотоэлемент является источником тока, который превращает энергию света в
электрическую. Множество вентильных фотоэлементов, соединенных в батарею,
образуют солнечные батареи, которые служат электрическими генераторами для
космических кораблей. Последнее время стали строить автомобили, двигатели которых
питаются от солнечных батарей; разрабатываются проекты экологически чистых
электростанций.
Вопросы и задания для самопроверки
1. Что такое полупроводниковый диод?
2. Каковы свойства полупроводникового диода?
3. Для каких целей применяется полупроводниковый диод?
4. Что собой представляет вентильный фотоэлемент?
5. Где используются вентильные фотоэлементы?
7