- •Курс лекций
- •Учебное пособие
- •Введение
- •Глава I. Строение и механические свойства кристаллических тел
- •Классификация кристаллов
- •1.2 Физические типы кристаллических решеток
- •1.2.1 Ионные кристаллы
- •Атомные кристаллы
- •Металлические кристаллы
- •1.2.4 Молекулярные кристаллы
- •1.2.5 Водородная связь
- •1.3. Методы определения атомной структуры кристаллических тел
- •Вещества с кубической решеткой
- •Некоторые соединения со структурой хлорида натрия
- •1.4. Дефекты в кристаллах
- •1.4.1 Виды дефектов
- •1.4.2 Точечные дефекты и их влияние на электрические свойства кристалла
- •1.4.3 Дислокации – возникновение и перемещение
- •Механические свойства кристаллических тел
- •Глава II. Электрические и тепловые свойства кристаллических тел
- •2.1 Основные положения теории Друде
- •2.2. Статическая электропроводность и теплопроводность металлов по Друде
- •2.3. Квантовые явления и теории проводимости металлов на их основе
- •2.3.1 Основные положения квантовой механики
- •2.3.2 Теория Зоммерфельда
- •2.3.3 Статистика фермионов
- •2.2.4 Недостатки модели Зоммерфельда
- •2.2.5 Проблемы составления уравнение Шредингера для твердого тела
- •2.4 Основы зонной теории твердого тела Блоха
- •2.4.1 Функции Блоха
- •2.4.2 Качественное рассмотрение поведения почти свободных электронов в кристалле
- •2.4.3 Модель Кронига-Пенни
- •2.4.4 Статистика фермионов в зонной теории
- •2.5 Эффективная масса электрона
- •2.6 Работа выхода электрона в металлах
- •2.7 Автоэлектронная эмиссия: туннельный эффект
- •2.8. Контактные явления
- •2.9. Колебания решетки и акустические волны (фононный газ)
- •2.10. Сверхпроводимость
- •Глава III. Полупроводниковые гомоструктуры
- •3.1 Зависимость собственной проводимости полупроводника от температуры
- •3.2. Примесная проводимость как основная в легированных полупроводниках
- •3.4 Полупроводниковый биполярный транзистор
- •3.5 Полевые транзисторы
- •3.6 Физические технологии создания полупроводниковых структур
- •Глава IV. Гетероструктуры
- •4.1. Физические основы формирования гетероструктур
- •4.4. Практическое применение наноразмерных гетероструктур.
- •Глава V. Аморфные тела
- •Глава VI. Оптические свойства твердых тел.
- •6.1 Поглощение света в кристаллах
- •6.2. Фотопроводимость и фотоэффект в p-n-переходах и гетероструктурах
- •Заключение
- •Дополнительная литература
6.2. Фотопроводимость и фотоэффект в p-n-переходах и гетероструктурах
Поглощение света, как уже отмечалось ранее, может привести к появлению в разрешенных зонах избыточных носителей, которые в присутствии электрического поля принимают участие в переносе заряда. Эту дополнительную проводимость называют фотопроводимостью, а само явление – внутренним фотоэффектом. Максимальная длина волны, при которой свет еще вызывает фотопроводимость, называется длинноволновой границей внутреннего фотоэффекта. Эта длина волны в зависимости от механизма поглощения света приблизительно рассчитывается по формулам:
λmax = hc/ΔE или λmax = hc/Eп
где ΔE – ширина запрещенной зоны; Eп - энергия активации примесных атомов или собственных дефектов кристаллической решетки (Eп соответствует энергии переходов типа 3 и 4 на рис. 5-1).
Подбором полупроводника и его примесного состава можно создавать фотоэлементы (фотосопротивления), чувствительные к свету в широком диапазоне от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области спектра. В частности, наиболее чувствительные фотосопротивления в видимой области спектра изготавливаются из сульфида кадмия CdS (фотопроводимость может в 105 – 106 раз превышать темновую проводимость). Они находят широкое применение в экспонометрах, автоматических затворах фотоаппаратов и т.д. Для инфракрасного диапазона широко используются фотосопротивления из сернистого свинца PbS и антимонида индия InSb..
Отдельно надо сказать о работе фотоэлементов с запирающим слоем, например, в виде диодов с p-n-переходом. Если на p-n-переход направить поток фотонов с энергией большей, чем ширина запрещенной зоны, то по обе стороны от перехода и в самом переходе возникают пары электрон-дырка. Если на диод подано запирающее напряжение, при котором через переход идет очень малый ток неосновных носителей, то при фотогенерации электронно-дырочных пар возникнет относительно большой ток через переход, который может быть легко зарегистрирован на сопротивлении R во внешней цепи в виде скачка напряжения.
В настоящее время фотодиоды, обладающие гораздо лучшими частотными (импульсными) характеристиками, чем фоторезисторы, являются основой т.н. многоэлементных фотоприемных устройств (МФПУ), реализуемых в виде линеек и матриц фотодетекторов с соответствующими элементами считывания на базе ПЗС- и ПЗИ-приборов. Подобные МФПУ являются важнейшей частью современных тепловизионных и телевизиоонных установок. Вопросы создания и эксплуатации матричных ФПУ являются важнейшей задачей целого раздела технической физики – фотоэлектроники. Здесь все шире начинают использоваться фотоприемники на основе квантовых ям и квантовых точек, т.е. низкоразмерных гетероструктур, рассмотренных ранее в IV главе.
Заключение
Вполне возможно, что многие студенты, изучившие данное пособие, а также, вероятно, впоследствии и многие другие источники, станут специализироваться в областях, напрямую связанных с физикой твердого тела. Для кого-то это будут проблемы прочности и химической стойкости твердых тел, для других в центре интересов окажутся задачи электропроводности или фотоэлектроники, но следует все время помнить, что все разделы физики твердого тела имеют общую основу, а именно нерелятивистскую квантовую механику многих частиц. И здесь имеется еще огромное количество вопросов, которые необходимо интенсивно исследовать, чтобы обеспечить твердую научную базу для создания новых материалов и технологий, включая и такую перспективную сферу, как нанотехнологии и наноматериалы.