Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Введение в техническую физику. Учебно-методическое пособие
.pdf
Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора
не хватает одного электрона. Недостающий электрон может быть захвачен
атомом бора у соседнего атома кремния. Для этого требуется небольшая затрата
энергии. Атом бора, захвативший электрон, становится отрицательным
ионом. Разорванная связь атома кремния не остается локализованной. Этот
атом может захватить электрон у другого атома кремния, и положительный
заряд будет перемещаться: появилась дырка. Примеси, захватывающие
электроны из валентной зоны, называются акцепторами, а энергетические
уровни этих примесей — акцепторными уровнями. Акцепторные уровни
располагаются в нижней части запрещенной зоны. Величина Δ
энергия ионизации акцептора, т. е. минимальная энергия, которую
необходимо сообщить электрону валентной зоны, чтобы перевести его на
акцепторный уровень
низких температурах электропроводность обусловлена дырками, поэтому
такой полупроводник называют дырочным полупроводником, или
полупроводником p-типа.
В полупроводнике р-типа дырки будут основными носителями
заряда, а электроны — неосновными».
. В полупроводнике с акцепторными примесями при
Ea — это
4.3. Контактные явления. р-n-переходы
Границу между обогащенными примесями областями кристалла р- и nтипа называют p-n переходом (или электронно-дырочным переходом). Для
получения такой границы недостаточно просто привести в контакт электронный
и дырочный полупроводники. Необходимо обеспечить такой контакт в виде
внутренней границы в полупроводниковом материале. Поэтому
изготавливают по стандартным МЭМС-технологиям, включающим в себя такие
операции, например, как легирование полупроводника в процессе его
выращивания, диффузию примесей или наращивание эпитаксиального слоя
на подложке с проводимостью противоположного знака.
91
р-n переходы,
p
n
p
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
n
Рис. 63. p-n переход
При соединении полупроводников p- и n-типа благодаря диффузии
возникает поток электронов из полупроводника
и, наоборот, поток дырок из
p-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно,
к
а прилегающая к
p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот,
p- в n-полупроводник. В результате, прилегающая
приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи
n-типа в полупроводник p-типа
p-n перехода
образуется двойной заряженный слой. Толщина это слоя (
d) мала, порядка
1 мкм и меньше. Однако роль его велика.
В тонком слое
p-n перехода электроны и дырки рекомбинируют,
и поэтому слой будет иметь мало свободных носителей заряда. Его называют
обедненным слоем или запирающим слоем p-n перехода (для основных
носителей зарядов).
92
Е
пер
–
–
–
–
–
–
–
U
пер
+
+
+
+
+
+
+
n
p
Рис. 64
Запирающий слой p-n перехода похож на конденсатор, у которого
заряженные пластины — это заряженные границы перехода, а диэлектрик —
обедненный слой.
В полупроводнике из германия напряжение на
p-n переходе U
0,25–0,3 В, а из кремния — 0,5–0,6 В. Между границами
p-n перехода возникает
достигает
пер
Е
электрическое поле
высока. Например, при
(рис. 4–11). Напряженность этого поля достаточно
пер
U
= 0,5 В и d = 1 мкм Е
пер
Важнейшее свойство электронно-дырочного перехода — это
односторонняя проводимость.
Рис. 65
пер
= U
/d = 5 ꞏ 105 В/м.
пер
93
Е
Е
вн
пер
p n
–
–
–
–
–
–
–
U
обр
+
+
+
+
+
+
+
+
I
обр
Рис. 66
Если подать обратное напряжение U
, созданное источником
обр
напряжения, на контакты полупроводника как показано на рис. 66, тогда
Е
внешнее поле
же направлении, как и поле
, созданное источником напряжения, будет направлено в том
вн
p-n перехода Е
, которое заставит электроны
пер.
и дырки устремиться к контактам с противоположным потенциалом. Это
приведет к тому, что концентрация зарядов у контактов увеличится, а у
p-n
перехода уменьшится [22]. За счет этого запирающий слой расширится, что
приведет к еще большей блокировке носителей зарядов. Однако, даже при
таких условиях через барьер
p-n перехода будет протекать незначительный
обратный ток Iобр., созданный неосновными носителями.
Е
пер
94
+
Е
Е
вн
пер
p
I
обр
При подаче прямого напряжения Uпр (рис. 67) внешнее поле Евн будет
направлено противоположно полю
двигаться к
p-n переходу, компенсируя заряды на нем. А это значит, что
–
–
–
–
–
–
–
Рис. 67
+
+
+
+
+
+
+
U
p-n перехода Е
n
обр
. Электроны и дырки будут
пер
напряжение на переходе будет уменьшаться и запирающий слой будет сужаться.
U
При разности
пр
– U
начинает течь прямой ток
Следовательно,
= 0 p-n переход открывается и в полупроводнике
пер
I
.
пр
p-n переход обладает выпрямительным, или вентильным,
свойством, которое и используется в полупроводниковых приборах [14].
Рис. 68. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода
95
А
+
К
–
А
–
К
+
а) б)
Рис. 69. Прямое (а) и обратное (б) включение диода
4.4. Фотопроводимость полупроводников
Свет, падая на полупроводник, может вызывать появление в нем
избыточных носителей, увеличивающих общую концентрацию свободных
зарядов. Процесс внутреннего освобождения носителей под действием света
называется внутренним фотоэффектом. Максимальная длина волны λ
которой свет является еще фотоэлектрически активным, называется красной
, при
к
границей внутреннего фотоэффекта.
Повышение концентрации носителей заряда вследствие генерации их
светом вызывает повышение проводимости полупроводника. Эту
дополнительную проводимость называют фотопроводимостью в отличие от
темновой проводимости, обусловленной тепловым возбуждением носителей.
Возбуждение дополнительных носителей заряда может происходить
с примесных уровней и из валентной зоны (рис. 70). В соответствии с этим
различают примесную и собственную фотопроводимости.
96
Рис. 70. Механизм фотогенерации носителей заряда при собственной (1) и примесной
(2, 3) фотопроводимости
Фотон с энергией hν, равной или большей ширины запрещенной зоны ΔЕ,
переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости. Образующиеся
при этом пары электрон — дырка являются свободными носителями заряда
и участвуют в создании собственной фотопроводимости полупроводника [35].
Для возбуждения примесных атомов фотон должен обладать энергией
равной или большей энергия активации этих атомов Δ
Е
. Таким образом, если
п
hν,
это условие выполняется, то в полупроводнике может возникнуть примесная
фотопроводимость.
Для чистых полупроводников энергия активации Δ
Е лежит в пределах 1–
3 эВ [22]. Для них красная граница фотопроводимости приходится на видимую
Е
часть спектра. Многие примесные полупроводники имеют Δ
порядка десятых
п
и даже сотых долей эВ. Красная граница фотопроводимости для них лежит
в инфракрасной области спектра.
Примесной фотоэффект возможен, очевидно, лишь в том случае, если
Е
примесные уровни
находится при температуре ниже температуры истощения примеси Т
и Е2 заполнены электронами, т. е. если полупроводник
1
[23].
и
Поэтому для наблюдения примесной фотопроводимости полупроводники
необходимо, как правило, охлаждать, причем до тем более низких температур,
чем больше их граничная длина волны. Так, германий, легированный золотом,
имеет λ
= 9 мкм и требует охлаждения жидким азотом (Т = 78 К); германий же,
к
легированный примесями III или V групп таблицы Менделеева, имеет
= 100 мкм и требует охлаждения жидким гелием (Т = 4,2 К).
λ
к
97
На рис. 71 показана схематическая кривая спектрального распределения
фотопроводимоети. Первый максимум соответствует собственной
фотопроводимости, два других — примесной фотопроводимости,
обусловленной наличием в полупроводнике двух типов примесей.
Рис. 71
На фотопроводимость полупроводников существенное влияние
оказывает температура. С понижением температуры уменьшается число
темновых носителей тока. Это приводит к увеличению, во-первых,
относительной роли фотопроводимости в общей проводимости
полупроводника, во-вторых, к увеличению абсолютной величины
фотопроводимости, так как с уменьшением концентрации темновых носителей
уменьшается вероятность рекомбинации фотоносителей [35].
Использование фотопроводимости на практике
Зависимость фотопроводимости ряда полупроводников от освещенности
используется в фотосопротивлениях, получивших широкое практическое
применение. Наиболее чувствительные фотосопротивления изготовливаются из
5
сернистого кадмия (СdS), у которого фотопроводимость в 10
–106 раз
превышает темновую проводимость. Широкое распространение получили
фотосопротивления из сернистого свинца (РbS), чувствительного к далекой
инфракрасной области спектра.
Основным преимуществом фотосопротивлений перед вакуумными
фотоэлементами является высокая световая чувствительность. У селеново-
3
кадмиевых фотосопротивлений, например, она примерно в 10
раз выше, чем
у вакуумных фотоэлементов. Недостатком фотосопротивлений является их
инерционность [16].
98
Внутренний фотоэффект в полупроводниках широко используется в так
называемой электрографии (ксерография), сущность которой состоит
в следующем.
На лист бумаги наносится тонкий слой высокоомного полупроводника
(например, ZnО). Перед фотографией пленка посредством газового разряда
заряжается отрицательным зарядом. При проектировании на такую бумагу
изображения фотографируемого объекта поверхностный заряд с сильно
освещенных частей стекает значительно быстрее, чем со слабо освещенных,
вследствие чего после экспозиции на бумаге возникает электрическое
изображение этого объекта. Для проявления электрического изображения
бумагу обдувают слабым потоком заряженных частиц специальной сухой
краски. Оседая в тех местах бумаги, на которых сохранился отрицательный
заряд, эти частицы проявляют изображение [16]. Для фиксирования
изображения бумагу нагревают до температуры, при которой частицы краски
расплавляются и прочно закрепляются на бумаге.
99
Вопросы и задания для самостоятельной работы
Вопросы для самоконтроля
1. Поясните, почему энергетические уровни атомов при образовании из
атомов твердых тел превращаются в соответствующие энергетические
зоны?
2. Как вы себе представляете понятия «валентная зона», «зона
проводимости», «запрещенная зона»?
3. Как в зонной теории поясняются различия между проводниками,
полупроводниками и диэлектриками?
4. Поясните, как Вы понимаете термин «дырка»?
5. В чем разница между собственным полупроводником и примесным,
например, дырочным?
6. Почему даже малые количества примесей резко изменяют проводимость
полупроводников?
7. Что такое рекомбинация носителей заряда?
8. Поясните почему энергия ионизации примесных уровней
в полупроводниках меньше ширины запрещенной зоны?
9. Почему дырки в полупроводниках
носителями?
n-типа являются неосновными
Тестовые задания
Тест 1. Закончите утверждения
1. Кривая равновесия между твердым телом и паром некоторого вещества на
диаграмме «давление — температура» называется _________________________
2. Строгая периодичность в расположении атомов, сохраняющаяся на
протяжении сотен и тысяч межатомных расстояний называется ______________
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]