6.4. Контрольные вопросы.

1. Что такое электронно-дырочный переход (p-n-переход)? Какие электронно-дырочные переходы называют симметричными, а какие несимметричными? Какие электронно-дырочные переходы называют резкими, а какие плавными?

2. Как выглядят кривые распределения электрического поля и потенциала в p-n-переходе?

3. Как выглядят кривые распределения подвижных носителей тока и объёмного заряда в p-n-переходе?

4. Что такое контактная разность потенциалов на p-n-переходе?

5. Как и почему изменяется высота потенциально барьера p-n-перехода с изменением концентрации примесей в прилегающих к переходу областях?

6. Почему термодинамическая работа выхода для полупроводника n- типа меньше, чем для полупроводника p- типа?

7. Можно ли использовать контактную разность потенциалов, возникающую в p-n-переходе, в качестве источника напряжения?

8. Что такое барьерная и диффузная ёмкости p-n-перехода?

9. В чём заключается выпрямляющее действие p-n-перехода?

7. Физические эффекты

7.1. Теоретические сведения

7.1.1. Фотопроводимость полупроводников

Если на поверхность полупроводника падает световой поток мощностью W₀, то количество световой энергии, поглощаемой слоем толщиной dх, на глубине х будет равно

,

(7.1)

где W – мощность потока, падающего на слой,

α – коэффициент поглощения, численно равный относительному изменению мощности света на единице пути, проходимого им в поглощающей среде.

Интегрируя (7.1), получаем

(7.2)

где r – коэффициент отражения.

W0 x dx

Рис. 7.1

Если энергия световых квантов будет больше ширины запрещённой зоны, то происходит возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис.7.2).

Ec Eg ћω ћω Ev

Рис. 7.2

Из условия

(7.3)

можно определить максимальную длину волны λ_max собственного поглощения

,

(7.4)

где с – скорость света.

Для кремния, имеющего ,

Поглощение света, вызывающее переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости, называется собственным поглощением света. В примесных полупроводниках под действием света может происходить переброс электронов с примесных уровней в зону проводимости и из валентной зоны на примесные уровни, расположенные в запрещенной зоне. Такое поглощение света называют примесным. Граница этого поглощения сдвинута в область длинных волн тем сильнее, чем меньше энергия соответствующего перехода.

Если примесные атомы уже ионизированы (что определяется температурой материала), то примесное поглощение света наблюдаться не будет. Так как температура истощения примеси падает с уменьшением энергии её ионизации, то для наблюдения длинноволнового примесного поглощения необходимо охлаждение полупроводника до достаточно низкой температуры. Так, например, спектр примесного поглощения германия, легированного золотом (энергия ионизации примеси E_n= 0,08 эВ, граница поглощения мкм), наблюдается при температуре жидкого азота (77 К), в то время как при легировании германия сурьмой (E_n= 0,01 эВ, мкм) примесное поглощение можно наблюдать лишь при гелиевых температурах (4 К).

Эффекты поглощения света находят практическое применение для создания модуляторов световых потоков, фотоприёмников и преобразователей световой энергии в электрическую.

При собственном и примесном поглощениях возникают избыточные свободные носители зарядов, приводящие к увеличению проводимости полупроводника. Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света называется внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретаемая полупроводником при облучении светом, называется фотопроводимостью. Основная же проводимость, обусловленная тепловым возбуждением свободных носителей заряда, называется темновой проводимостью. Приборы, предназначенные для регистрации светового излучения по величине фотопроводимости, называются фоторезисторами.

Если в слое полупроводника поглощается световой поток W₀(1-r), где W₀ – мощность падающего светового потока, r – коэффициент отражения, то число носителей, генерируемых светом в единицу времени в чувствительном элементе при λ<λ_max, будет равно

(7.5)

где η – квантовый выход внутреннего фотоэффекта, равный числу носителей, образующихся в среднем при поглощении одного фотона.

W0 RH IФ V0	σф σф0 τ t0 τ t
Рис. 7.3

Под действием напряжения V, приложенного к фоторезистору, созданные светом носители заряда совершают дрейф и создают в цепи ток, который называют фототоком I_ф . Каждый носитель заряда за время своей жизни проходит через резистор раз, где t_пр – время пролёта, или, точнее, время дрейфа носителя через резистор. Оно равно длине чувствительного элемента резистора l, делённой на скорость дрейфа v_д:

(7.6)

где u – подвижность носителей.

Величина фототока I_ф равна числу носителей G, ежесекундно генерируемых в полупроводнике под действием света, умноженному на и заряд электрона:

(7.7)

где ΔN = G ∙ τ – число избыточных носителей в фоторезисторе.

Подставляя (7.5) в (7.7), получаем

.

(7.8)

Отношение

(7.9)

характеризует чувствительность фоторезистора. Она прямо пропорциональна длине волны падающего света (вплоть до λ_max), приложенному напряжению V, времени жизни носителей τ и их подвижности u и обратно пропорциональна квадрату длины чувствительного элемента фоторезистора l².

Вследствие протекания процесса рекомбинации концентрация избыточных носителей убывает по закону

.

(7.10)

По такому же закону будет происходить и спад фотопроводимости полупроводника

(7.11)

где σ_ф0 – стационарная (установившаяся) фотопроводимость в условиях постоянной освещённости фоторезистора.

Касательная, проведённая к кривой спада фотопроводимости σ_ф(t) в точке t₀, отсекает на оси времени отрезок, численно равный τ – времени жизни избыточных носителей. На рис. 7.3 показан также характер нарастания фотопроводимости полупроводника после включения светового импульса, описываемого следующим уравнением:

.

(7.12)

В этом случае касательная, проведенная к кривой σ_ф(t) в начале координат, отсекает отрезок, численно равный τ.