2413

Такая проводимость может возникать при энергиях фотонов меньших ширинызапрещённойзоны hv E . Приналичиидонорнойпримесифотон

примеснымицентрамипроисходит переход электронов с донорных уровней D в зону проводимости II в случае полупроводника n – типа (рис.121, а) или из валентной зоны I наакцепторныеуровниA вслучае

Рис.121

Примесная проводимость для полупроводников n -типа – чисто электронная, а для полупроводников p -типа – чисто дырочная.

Явление фотопроводимости в полупроводниках связано с поглощением ими энергии от внешнего источника энергии в виде фотонов.

Энергия фотона h h c , зависящая от частоты или длины волны

фотона , тратится на генерацию электрических зарядов.

Красной границей фотопроводимости полупроводников считается

при которой возникают электрические заряды в полупроводнике.

221

Для собственных полупроводников и примесных полупроводников данные граничные величины оцениваются из уравнений:

где E – энергетическая ширина запрещённой зоны в химически чистом полупроводнике;

Eп – в общем случае энергия активации примесных центров.

Таким образом полупроводниковые вещества, рассмотренные выше, существенно отличаются от проводящих веществ (различные металлы и их сплавы, и др.).

1. Значительной зависимостью проводимости полупроводников от температуры t0С или Т0К ;

2.Сильным влиянием на проводимость полупроводников даже незначительного количества примесей;

3.Влиянием на проводимость полупроводников различных электромагнитных излучений (световых, радиационных и др.).

Все эти особенности свойств у полупроводниковых веществ приближают их в большей степени к диэлектрикам.

Люминесценция твёрдых тел

Люминофоры – это вещества, способные под действием различного рода возбуждений светиться.

Люминесценция твёрдых тел – это неравновесное излучение. При

данной температуре тела Т0К такое излучение является избыточном над тепловым излучением тела и имеет длительность большую периода световых колебаний T .

Классификация люминесценции проводится в зависимости от способов возбуждения твёрдых тел:

Фотолюминесценция обусловлена действием светового излучения;

рентгенолюминесценция – действием лучей рентгена; катодолюминесцен-

ция – действием электронов; электролюминесценция – действием электрического поля; радиолюминесценция – ядерным излучением в виде -фо-

тонов, нейтронов n10 и протонов p11 ; хемилюминесценция – химическими

превращениями; триболюминесценция – идентична раскалыванию, например, сахара.

Классификация люминесценции проводится по длительности свечения твёрдого тела:

222

1. Флуоресценциясуществуетприусловии, когдадлительностьсвечения после прекращения возбуждения вещества составляет малую величину

порядка фл 10 8 с;

2. Фосфоресценция – это свечение, которое продолжается достаточно заметный промежуток времени после прекращения возбуждения вещества

фос фл 10 8 с.

Согласно правилу Стокса длина волны люминесцентного излучения вещества люм.изл всегда больше длины волны света (электромагнитного

излучения) эмизл, возбудившего его:

люм.изл эмизл .

Это правило качественно иллюстрирует рис.122, на котором изображены графики I I ( ) зависимостей интенсивностей источника возбуж-

дения и люминесцентного излучения от длины волны .

Рис.122

Для частот источников возбуждения излучения правило Стокса записы-

вается в виде люм.изл эмизл .

Кристаллофосфоры отнесены к классу эффективно люминесци-

рующих веществ. Таким веществами яяляются искусственно выращенные кристаллы содержащие чужеродные примеси.

Фосфоресценция

кристаллофосфоров объясняется на основе зонной теории твёрдого тела.

223

Для возникновения длительного свечения кристаллофосфор должен содержать центры захвата, или ловушки для электронов Л1 и Л2.

Длительность процесса высвечивания изл определяется временем пребывания электронов в ловушках лов.

Контакт электронного и дырочного полупроводника ( p - n-переход)

При электрическом контакте двух примесных полупроводников p – типа и n -типа происходят физические процессы, которые формируют тонкий слой отделяющий электростатические положительные (« ») и отрицательные заряды (« ») на границе p-n-перехода (рис.124).

До соприкосновения двух примесных полупроводников p – типа и n - типа электроны, дырки и неподвижные ионы не отделены друг от друга и распределены по объёму равномерно (рис.124, а).

Рис.124

При соприкосновении полупроводников (рис. 124, б)) в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободныеэлектроныиззоныполупроводникаn-типазанимаютсвободные уровни в зоне полупроводника р-типа. В результате этого процесса вблизи границы двух полупроводников образуется слой полупроводника лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий большим значением электрического сопротивления R . Такой слой был назван запирающим слоем.

Толщина запирающего слоя l обычно не превышает нескольких микрометров. Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой создаёт на границе полупроводников контактную разность потенциалов (потенциальный барьер) к (рис. 124, в).

Возникшая разность потенциалов к создает в запирающем слое электрическоеполе Езан к / l , препятствующеекакпереходуэлектронов

из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, так и переходу дырок в полупроводник n-типа. В то же время электроны могут свободно двигаться

224

из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа, точно так же как дырки из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа.

Таким образом, контактная разность потенциалов к препятствует

движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда.

Однако при движении через р-n-переход неосновных носителей (так называемыйдрейфовыйток Iдр ) происходитснижениеконтактнойразности

потенциалов. Это позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер обусловленный контактной разностью потенциалов к . В результате

появляется диффузионный ток Iдиф, который направлен навстречу дрейфовому току Iдр и возникает динамическое равновесие, при котором дрейфовый ток становится равным диффузионному току Iдр = Iдиф.

Если к р-n-переходу прикладывается внешнее электрическое напряжение Uвн , которое создает в запирающем слое электрическое поле с

напряженностью совпадающей по направлению с полем неподвижных

ионов напряженностью Eвн Eзап (рис.125, а), то это приводит к расширению запирающего слоя и отводу от контактной зоны положительных и отрицательных носителей заряда (дырок и электронов).

Рис. 125

При таких условиях сопротивление р-n-перехода велико, ток через него мал и обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным Iобр, а р-n-переход – закрытым.

Припротивоположнойполярностиисточниканапряжения Uвн (рис.125,

Сопротивление р-n-перехода резко снижается, и возникает сравнительно

225

большой ток, названный прямым током Iпр , а переход – открытым.

Сопротивление открытого р-n-перехода определяется только сопротивлением полупроводника.

Полупроводниковые приборы обладают четырьмя основными свойствами: выпрямительными, термоэлектрическими, фотоэлектрическими и электропреобразовательными.

Все эти свойства объясняются наличием двух типов примесной проводимости полупроводников: электронная примесная проводимость (проводимость n-типа) и дырочная примесная проводимость (проводимость р-типа).

Для выпрямительного (вентильного эффекта необходимо иметь два полупроводника с различными типами примесной проводимости и обеспечить условия для контакта p - и n-областей

Механическое соединение двух полупроводников, содержащих p и

n-области, не позволет сформировать электронно -дырочный переход ( p - n-переход) на границе их соприкосновения. Такие переходы создают

либо при выращивании кристаллов, либо при их соответствующей обработке.

Технология получения p - n-перехода на примере кристаллла германия Ge n-типа связана с накладкой «таблетки» из индия In (рис.126, а).

Рис.126

Процесс накладки происходит при нагревании системы примерно до 500 °С в вакууме или в атмосфере инертного газа. Атомы индия In диффундируют на некоторую глубину в германий Ge, а затем расплав медленно охлаждают.

Германий Ge, содержащий индий In, обладает дырочной проводимостью( p -типа) ипоэтойпричиненаграницесоприкосновениязакристал-

лизовавшегося расплава и германия Ge, имеющего проводимость n-типа, образуется p - n-переход (см. рис.126, б).

226

Таким образом в области контакта p - n-областей проводимостей происходят следующие физические процессы:

1.Диффузия электронов из n-полупроводника, где их концентрация выше, в p – полупроводник, где их концентрация ниже;

2.Образование вблизи границы n -полупроводника из-за ухода электронов нескомпенсированного положительного объёмного заряда неподвижных ионизованных донорных атомов;

3.Диффузия дырок из p -полупроводника происходящая в направлении

от p -области к n-области (в направлении обратном диффузии электронов); 4. Образование вблизи границы p -полупроводника из-за ухода дырок

нескомпенсированного отрицательного объёмного заряда неподвижных ионизованных акцепторов (рис.127).

Объёмные заряды формируют на границе двух полупроводников двойной слой из электрических зарядов противоположных по знаку. Электрическое поле двойного слоя, направленное от n-области к p -области,

дырок в направлении р n .

Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках n- и p -типа одинаковые n А = nD , то толщины слоев, в которых локализуются

неподвижные заряды, также одинаковые.

Проводимость р-n-перехода

Проводимость р-n-перехода в полупроводниках зависит от толщины слоя р n -перехода.

Толщина слоя р n -перехода в полупроводниках составляет примерно

10 6 10 7 м, а контактная разность потенциалов к – десятые доли вольт.

Носители тока (электрона и дырки) способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов. Поэтому при обычных температурах равновесный контактный слой характеризуется повышенным сопротивлением и поэтому для зарядов он назван запирающим слоем.

Сопротивление запирающего слоя можно изменять с помощью внешнего электрического поля создаваемого постоянным во времени

источником электрического напряжения Uвн (рис.128).

Если приложенное к р n -переходу внешнее электрическое поле Eвн направлено от n – полупроводника к р-полупроводнику (см. рис.128, а) и

227

проводникеидырокв р-полупроводникеотграницы р n -переходавпро-

тивоположные стороны. В результате запирающий слой расширяется и его сопротивление увеличивается.

Рис.128

Направление внешнего поля Eвн , расширяющего запирающий слой,

называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток I через р n практически не проходит. Ток в запирающем слое теку-

щий в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р-полупроводнике и дырок в n -полупроводнике).

рис.128, б), то оно создаёт перемещение электронов в n – полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе р n -перехода навстречу друг

другу.

В этой области данные заряды рекомбинируют (освобождаются от зарядов и становятся нейтральными), а толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются.

Следовательно, в этом направлении электрический ток I проходит сквозь р n -переход в направлении от р-полупроводника к n-полупро-

воднику и поэтому данное направление называется пропускным (прямым). Таким образом, р n -переход обладает односторонней (вентильной)

проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – этополупроводниковыйэлементэлектрической цепи, содержащий один р n -переход.

Основным свойством р n -перехода является односторонняя проводимость. Проводимость зарядов направлена от области р (анод) к области

228

n (катод). Это обстоятельство наглядно отображает условное графическое обозначение полупроводникового диода на электрических схемах (рис.129, а): треугольник (символ анода) вместе с пересекающей его линией электрической связи образуют подобие стрелки указывающей направление проводимости. Перпендикулярная этой стрелке черточка символизирует катод (рис. 129, а).

Таким образом полупроводниковый диод является двухполюсным элементом электрической цепи отличающийся от резистора R наличием

ного моста электрического напряжения на схемах не указывают, так как её однозначно определяет символ диода.

По конструкции полупроводниковые диоды делятся на точечные и плоскостные.

мостью.

На границе этого слоя образуется р n -переход, обладающий высоким

коэффициентом выпрямления. Благодаря малой емкости контактного слоя Сксл точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей)

высокочастотных колебаний электрического напряжения с частотой соотвествующей сантиметровому диапазону длин волн.

Плоскостной полупроводниковый диод (рис.131) содержит медную пластину, накоторуюспомощьюхимическойобработкинаращиваетсяслой

229

закиси меди Cu2O . Верх платины покрывается слоем серебра Аg. Сереб-

ряный электрод выполняет функцию клеммы для подключения выпрямителя в электрическую цепь. Часть слоя закиси меди Cu2O , прилегающая

к меди Сu и обогащенная ею, обладает электронной проводимостью ( n- проводимость), а часть слоя Cu2O , прилегающая к серебру Ag и обога-

щенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом, – дырочной проводимостью ( р- проводимость).

Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от слоя закиси меди Cu2O к слою меди Сu ( р n -пере-

ход).

Кроме плоскостного меднозакисного (купроксного) выпрямителя на практике Рис.131 получили распространение и применяют также селеновые диоды, диоды на основе

арсенида галлия и карбида кремния.

Все рассмотренные выше полупроводниковые диоды обладают рядом преимуществ по сравнению с электровакуумными приборами (лампами). Они имеют малые габаритные размеры, высокие коэффициенты полезного действия КПД и сроки эксплуатации. Однако, данные приборы очень чувствительны к изменениям температуры. Нормальный рабочий интервал температурдляэксплуатацииданныхприборов составляет от-70 до +120 °С.

Выпрямление переменного напряжения с помошью диодов.

Электрическая энергия поставляется потребителям от источников переменной ЭДС (напряжений) m cos( t 0вх) или u um cos( t 0вх) .

Однако для работы потребителей электрической энергии требуются источники постоянной ЭДС (напряжений). По этой причине возникает необходимость преобразования переменных ЭДС (напряжений) в постоянные. Такое преобразование названо выпрмлением переменной ЭДС

2T с периодом колебаний равным T представлены на рис.132.

Трансформаторы, указаные в схемах преобразуют входное переменное

напряжение uвх uвх( t) в переменное напряжение u1 u1( t) .

Схема на рис. 132, а осуществляет однополупериодное выпрямление входного переменного напряженияu1 u1( t) . График выпрямленного

напряжения u2 u2 ( t)), представленный на рис.132, а, демонстрирует

230