- •Содержание конспекта лекций
- •Введение
- •Тема №1: Основные законы теории твердого тела лекция №1: особенности строения твердых тел
- •1 Краткая историческая справка
- •2 Классификация твердых тел по проводимости
- •3 Понятие ковалентной связи
- •Лекция №2: Основы зонной теории твердого тела
- •1 Энергетические диаграммы уединенного атома и твердых тел
- •2 Обобщение некоторых выводов зонной теории для объяснения электропроводности и классификации твердых тел
- •3 Электроны в твердом теле
- •1 Структура полупроводников
- •2 Дефекты кристаллической решетки
- •3 Поверхность кристалла
- •Тема №2: Основы теории полупроводников Лекция №4: Электрофизические свойства полупроводников
- •1 Электроны и дырки в кристаллической решетке полупроводника
- •2 Собственные и примесные полупроводники
- •3 Носители заряда и их распределение в зонах проводимости
- •1 Рекомбинация носителей заряда
- •2 Законы движения носителей заряда в полупроводниках
- •Лекция №6: Эффект внешнего поля
- •1 Общие сведения об эффекте поля
- •2 Эффект поля в собственном полупроводнике
- •3 Эффект поля в примесном полупроводнике
- •1 Структура p-n-перехода
- •2 Равновесное состояние p-n-перехода
- •3 Неравновесное состояние p-n-перехода
- •4 Вольт-амперная характеристика p-n-перехода
- •1 Контакты полупроводник—металл
- •2 Граница полупроводник—диэлектрик
- •3 Гетеропереходы
- •1 Барьерная емкость электронно-дырочного перехода
- •1.1 Барьерная емкость как проявление токов смещения
- •1.2 Общее соотношение для барьерной емкости электронно-дырочного перехода
- •1.3 Частные соотношения для барьерной емкости различных электронно-дырочных переходов
- •1.4 Ширина области объемного заряда. Зарядная емкость перехода
- •2 Диффузионная емкость
- •1 Туннельный (зенеровский) пробой
- •2 Лавинный пробой
- •3 Тепловой пробой
- •3.1 Вах с учетом тепловыдепения в p-n-переходе
- •3.2 Расчет пробивного напряжения при тепловом пробое
- •3.3 Особенности теплового пробоя в реальных диодах
- •4 Поверхностный пробой
- •1 Поглощение света
- •2 Фоторезистивный эффект
- •3 Люминесценция полупроводников
- •1 Э.Д.С., возникающая в полупроводнике при его освещении
- •1.1 Воздействие света на p-n-переход
- •1.2 Основные характеристики и параметры
- •2 Спонтанное и индуцированное излучение
- •1 Эффекты Пельтье и Зеебека
- •2 Гальваномагнитный эффект Холла
- •1. Работа выхода
- •1.1 Электроны в металле
- •1.2 Выход электронов из металла
- •2 Виды электронной эмиссии
- •2.1 Термоэлектронная эмиссия
- •2.2 Электростатическая электронная эмиссия
- •2.3 Вторичная электронная эмиссия
- •2.4 Электронная эмиссия под ударами тяжелых частиц
- •1 Электрические явления в газе, понятие о плазме
- •2 Рис.5.12 Схема для снятия вольтамперной характеристики ионного прибора Вольтамперная характеристика газового разряда
2 Спонтанное и индуцированное излучение
Процессы генерации и рекомбинации носителей заряда неотъемлемы друг от друга, хотя и противоположны по содержанию. Энергия при рекомбинации может выделяться либо в виде фотона (излучательная рекомбинация), либо в виде фонона (безызлучательная рекомбинация).
В последние годы разработан ряд типов приборов, преобразующих электрические сигналы в световые. В основе принципа их действия лежит так называемое рекомбинационное излучение — излучение квантов света при прямых рекомбинационных актах пар электрон — дырка.
Для интенсивной рекомбинации необходимо одновременно иметь высокую плотность электронов в зоне проводимости и высокую плотность свободных уровней (дырок) в валентной зоне.
Такие условия создаются при высоком уровне инжекции электронов в дырочный полупроводник с высокой концентрацией акцепторов.
Очевидно, что для того чтобы имела место излучательная рекомбинация, соответствующая прямым переходам, необходимо, чтобы полупроводник имел соответствующую зонную структуру: экстремумы валентной зоны и зоны проводимости должны соответствовать одному и тому же значению волнового вектора.
В настоящее время исследован ряд полупроводниковых соединений типов АIIIВV, AIIBVI, а также других двойных (SiC) и тройных систем (типа GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe и т. д.), на которых можно изготовить p-n-переходы, излучающие световые колебания при включении их в прямом направлении. Такие полупроводниковые источники света могут оказаться весьма удобными для целого ряда применений, например в качестве индикаторных устройств.
Легированием полупроводника теми или иными примесями удается за счет примесной зоны изменять энергию рекомбинации и, следовательно, длину волны излучаемого света. Так, p-n-переходы на GaP дают два максимума излучения: 5650 и 7000 Å. P-n-переходы на GaAsP обеспечивают свечение в диапазоне от 6000 до 7000 Å. Свечение в диапазоне длин волн 5600—6300 Å можно получить на переходах из карбида кремния. Работа в режиме излучательной рекомбинации происходит при относительно высоких плотностях тока (несколько сотен ампер на квадратный сантиметр) при квантовом выходе порядка 0,5—1,5%.
При более высоких плотностях тока, превышающих 500 а/см2 и достигающих несколько тысяч а/см2, проявляется качественно новое явление -
При внешних напряжениях на переходе, приближающихся к контактной разности потенциалов (что соответствует очень высоким плотностям тока), происходит так называемая инверсия заселенности. Плотность занятых электронами уровней в зоне проводимости становится выше, чем плотность занятых электронами уровней у потолка валентной зоны.
Значение плотности тока, при котором наступает инверсия заселенности, называют пороговым током.
При токах ниже порогового имеют место случайные акты рекомбинации, т.е. так называемое спонтанное излучение.
При токах выше порогового световой квант, проходящий через полупроводник, вызывает стимулированное излучение — одновременную рекомбинацию ряда носителей заряда. В этом случае происходит усиление или генерация когерентных световых колебаний, т. е. колебаний, имеющих одну и ту же фазу.
Таким образом, при плотностях тока, превышающих пороговое значение, некоторые типы полупроводниковых p-n-переходов могут являться источниками лазерного излучения. Преимуществом полупроводниковых лазеров является то, что они не нуждаются в оптической накачке. Роль оптической накачки здесь выполняют инжекционные токи, создающие инверсную заселенность. Полупроводниковые лазеры могут иметь к.п.д., превышающий 50%, и являются особенно выгодными по сравнению с другими видами лазеров при использовании их в непрерывном режиме.
Наиболее распространенным материалом для лазерных p-n-переходов является арсенид галлия. С помощью p-n-переходов на арсениде галлия в непрерывном режиме можно получать единицы ватт практически монохроматического излучения с длиной волны 8400 Å при температуре жидкого азота. При комнатной температуре длина волны увеличивается до 9000 Å.
Инверсная заселенность в полупроводниках может создаваться не только путем инжекции, но и другими способами, например возбуждением электронов с помощью электронного луча.
Выводы по лекции
Таким образом, при освещении однородного полупроводника в его объеме возникает фото-э.д.с.
Однако это не единственный случай, когда в полупроводниках возникает фото-э.д.с., поскольку при освещении электронно-дырочного перехода в результате разделения подвижных носителей заряда, появившихся в результате генерации электронно-дырочных пар под действием света, на краях перехода также появляется э.д.с. Такие фотоэлементы в настоящее время используют в качестве солнечных батарей.
Другим явлением, связанным с оптическими свойствами полупроводников является испускание ими света. Это излучение может иметь спонтанный характер, тогда излучение некогерентно, либо индуцированный, то есть вынужденный — тогда излучение когерентно.
Лекция № 13: Термоэлектрические и гальваномагнитные явления