Учебное пособие 800299

Зависимость тока через р-n переход от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой

(рис. 18).

Уравнение этой характеристики имеет такой вид

где V – внешнее напряжение, приложенное к р-n- переходу с учетом знака, J0 – значение, к которому стремится обратный ток при увеличении обратного напряжения.

Рис. 18

p-n переход обладает практически односторонней проводимостью, проявляя высокие выпрямляющие свойства. Поэто-

му p-n переход является основой полупроводниковых диодов.

Диоды принято характеризовать коэффициентом выпрямления - отношением прямого тока к обратному при ± V = const. Эта величина может достигать значений ~ 109 . С ростом температуры выпрямляющая способность p-n перехода уменьшается и при некоторой температуре исчезает совсем. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей определяется кон-

29

центрацией примесей и от температуры практически не зависит, а концентрация неосновных носителей резко увеличивается с повышением температуры. Таким образом, при нагревании можно достичь такой температуры, при которой концентрация неосновных носителей станет равной концентрации основных и потенциальный барьер исчезнет.

9.Светодиоды

Вполупроводниках возможен процесс испускания света

врезультате перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону и его рекомбинации с дыркой. Это явление с энергетической точки зрения является обратным явлению внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.

Для получения достаточного числа рекомбинирующих пар «электрон-дырка» используется контакт полупроводников с электронной и дырочной проводимостью, т.е. p-n переход (диод).

Вместе p-n перехода существует потенциальный барьер Е, который является препятствием для перехода электронов и

дырок. При подаче прямого напряжения U0 электроны и дырки начинают интенсивно проходить через область p-n перехода.

В этом случае создаются благоприятные условия для рекомби-

нации электронно-дырочных пар в области p-n перехода и наблюдается испускание света. Энергия фотона, излучаемого полупроводниковым диодом, равна:

Излучение светодиодов не тепловое, поэтому его спектральное распределение намного уже, чем спектральное излучение черного тела, к которому близок спектр лампы накаливания.

Ширина спектра излучения светодиодов зависит от ширины запрещенной зоны, энергии активации примесей.

Выбирая полупроводник и регулируя его примесный состав, можно получить излучение в нужном диапазоне волн.

30

Взаимодействие электронов и дырок между собой, с примесями и фотонами приводит к уширению спектра, в особенности, в его длинноволновой части.

Светодиоды практически безинерционны и без искаже-

ний преобразуют электрические импульсы в световые. Это ис-

пользуется для неэлектрических связей между различными блоками автоматики и ЭВМ.

10. Фотопроводимость полупроводников

Электрическая проводимость полупроводников, возбуждённая электромагнитным излучением, называется фотопро-

водимостью.

Фотопроводимость обусловлена внутренним фотоэффектом. В полупроводнике под влиянием света образуются дополнительные неравновесные носители тока. Общая удельная электрическая проводимость полупроводника

ф – удельная электрическая фотопроводимость.

На рис. 19, а показана схема образования электрона фотопроводимости и дырки у собственного беспримесного полупроводника. Фотон с энергией h , равной или большей ширины запрещённой зоны E , переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости. При этом образуется пара – электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Они участвуют в создании собственной фотопроводимости по-

лупроводника.

Удельная электрическая проводимость

31

где noc – число пар неравновесных носителей – электронов и

На рис. 19, б, в показано, как создаются носители тока под действием света в примесных донорных (б) и акцепторных (в) полупроводниках.

В этих случаях фотон с энергией h , не меньшей энергии активации примесной проводимости, либо переводит электрон с донорного уровня в зону проводимости, либо из валентной зоны переводит электрон на акцепторный примесный уровень.

Требование к энергии фотона h E, где E – энергия активации соответствующей проводимости, означает, что су-

ществует красная граница внутреннего фотоэффекта, кото-

рая определяется из условия h кр E . Переходя от частоты к длине волны, получим

h c

Для собственной фотопроводимости полупроводника приE 2 эВ, кр 600нм. Это соответствует жёлтому свету.

Видимый и ультрафиолетовый свет может вызвать фотопро-

32

водимость не только полупроводников, но и диэлектриков, у которых E 2 эВ.

У примесных полупроводников энергия активации про-

ветствует инфракрасной области спектра.

Зависимость фотопроводимости полупроводников от освещённости используется в фоторезисторах (фотосопротивлениях).

Характеристикой фотосопротивления является его све-

товая чувствительность dJ (мА/лм) – изменение силы тока dФ

при изменении светового потока на 1 лм. У фотосопротивлений световая чувствительность выше, чем у вакуумных фотоэлементов, основанных на внешнем фотоэффекте. Например, у фоторезистора CdSe световая чувствительность ~ 1200 мА/лм; она в 105 раз больше, чем у вакуумных фотоэлементов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Савельев И. В. Курс общей физики : в 3 т.т. т. 3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. / И. В. Савельев. 7-ое изд., стер.– СПб: Издательство «Лань», 2007. – 320 с.

2.Детлаф А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, Б. М. Явор-

ский. – М. : Высш. шк., 2000. – 718 с.

3.Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М. :

Высш. шк., 2003. – 542 с.

4.Нерсесов Э. А. Основные законы атомной и ядерной физики / Э. А. Нерсесов. – М. : Высш. шк., 1988. – 289 с.

5.Епифанов Г. И. Физика твердого тела: учебное пособие, 4-е изд., стер. / Г. И. Епифанов. – СПб: Издательство «Лань», 2011. – 288 с.

6.Бушманов Б. Н. Физика твердого тела / Б. Н. Бушманов,

Ю. А. Хромов. – М. : Высш. шк., 1971. – 223 с.

33

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………….. 1

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА……………….. 2

1.Энергетические уровни свободных атомов………….. 2

2.Некоторые сведения из квантовой статистики………. 4

3.Вырожденный электронный газ в металлах…………. 6

4.Энергетическая структура твердых тел………………. 9

5.Металлы, полупроводники, диэлектрики…………….. 13

6.Собственная проводимость полупроводников……………. 15

7. Примесная проводимость полупроводников……………… 19

8.Контакт электронного и дырочного

полупроводников (р-n - переход)…………………………... 24

9.Светодиоды…………………………………………………… 30

10.Фотопроводимость полупроводников……………………… 31 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………. 33

34

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к изучению темы «Полупроводники» в спецглавах физики

для студентов всех технических направлений и специальностей всех форм обучения

Составители: Агапитова Наталья Валерьевна, Бугаков Александр Викторович

В авторской редакции

Компьютерный набор А.В. Бугакова

Подписано к изданию 17.10.2016.

Уч.- изд. л. 2.1

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

394026 Воронеж, Московский просп., 14