Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Ч.3. Развернутый конспект лекций
.pdf
131
ad
ad
NeN
VVNN ))((2
K0
d
S
0
d dn dp
. (13.3)
Знак () в выражении (13.2) соответствует прямому включению p-n–перехода, в соотношении (13.3) – обратному.
Барьерную емкость p-n–перехода можно определить по
формуле плоского конденсатора
C
, (13.4)
где S – площадь перехода, а d – подставляется из выражения
(13.3). Таким образом, емкость p-n–перехода нелинейно зависит от приложенного напряжения V (обычно прикладывают
«обратные» напряжения), что используется для построения
варакторов – важных элементов параметрических усилителей,
которые обладают малым шумом и применяются в очень чувствительных приемниках, например, для спутниковых линий
связи, радиотелескопов и т.д. Вольт-фарадные характеристики
используют и для определения VК. Зависимость сопротивления
электронно-дырочного перехода от V позволяет использовать
p-n–переход также в качестве регулируемого сопротивления
(варистора).
Ток JS в выражении для ВАХ p-n–перехода (13.2) является
суммой токов неосновных носителей Jns и Jps:
JS Jns Jps. (13.5)
Влияние основных параметров перехода на ток JS рассмотрим на практических занятиях, там же введем понятие диффузионной длины. Заметим только, что с увеличением температуры обратный ток JS сильно растет, и выпрямляющие свойства
p-n–перехода постепенно пропадают.
Тем не менее, при обычных температурах диоды, изготовленные на основе p-n–переходов, являются прекрасными твердо-
тельными выпрямителями, коэффициент выпрямления у которых достигает сотен тысяч. Импульсные и высокочастотные p-n–
переходы имеют быстродействие приблизительно 109 с, рабочие
частоты до 109 Гц. Вид ВАХ p-n–перехода зависит от концентра-
132
J
VП
0 V
Рис. 13.4
ции носителей заряда, поэтому такие контакты широко используют для изготовления датчиков температуры, давления, света,
ионизирующих излучений и других воздействий, влияющих на
контактную разность потенциалов и ток JS диода.
Пробой p-n–перехода.
Кроме упомянутого выше теплового нарушения выпрямляющих свойств диода возможен и электрический пробой, вызванный появлением больших электрических токов при достаточно высоком обратном напряжении VП на p-n–переходе, рис.
13.4 В тонких p-n–переходах это явление связано с полевым
Работа туннельных диодов основана на квантовом явлении
просачивания электронов через тонкий потенциальный барьер
p-n–перехода, изготовленного из вырожденных полупроводни-
ков. Вырожденные полупроводники – это материалы, у которых
уровень Ферми попадает в зону проводимости (за счет сильного легирования донорами или акцепторами соответственно
полупроводника n и p-типа проводимости). Принцип работы
туннельного диода иллюстрируется схемой, изображенной на
рис. 13.5, которая показывает отдельные фрагменты формирования ВАХ.
туннелированием электронов
сквозь переход. В толстых p-n–
переходах при высоких обратных
напряжениях возникает ударная
ионизация, приводящая к лавинному возрастанию концентрации
носителей заряда (лавинный пробой см. раздел 11.3). Диоды, работающие в предпробойном режиме, используются для стабилизации напряжения и получили
название стабилитронов.
13.2 Туннельный диод
133
E
C
EV
E
F
1
p n
2
J
0 V
a)
E
C
E
V
E
F
2 p n
J
0 V
б)
J
0 V
ж)
E
C
E
V
E
F
p n
E
С
E
V
E
F
2
p n
J
0 V
в)
E
С
E
V
E
F
2
p n
J
0 V
г)
J
0 V
д)
E
C
EV
E
F
p n
J
0 V
e)
E
C
E
V
E
F
p n
Рис. 13.5
134
J
0 V
Рис. 13.6
Отличительной особенностью вольт-амперной характеристики туннельных диодов является присутствие на ней участка
с отрицательной дифференциальной проводимостью, что можно использовать для генерации и усиления СВЧ - колебаний до
частот около 100 ГГц (тонкие области p-n–перехода). Недостатком этих диодов является узкий интервал рабочих напряжений, обычно до 0.2 В.
13.3 Обращенный диод
По сути, обращенный диод является разновидностью туннельного диода, в котором степень легирования полупровод-
ников снижена настолько, чтобы при отсутствии внешнего напряжения потолок валентной зоны в полупроводнике p-типа совпал с дном зоны проводимости в полупроводнике n-типа (примерно как показано на
рисунке 13.5.д). В этом случае при небольших прямых смещениях туннелирование
будет отсутствовать, поэтому обращенные
диоды являются идеальными выпрямителями малых сигналов – см. вольт-амперную
характеристику такого диода на рис.13.6.
13.4 Транзистор
Изобретение сотрудников фирмы «Bell Telephone
Laboratories» Дж. Бардиным, В. Браттейном и В. Шоккли в
1948г. полупроводникового аналога электронных усилитель-
ных ламп, транзистора, перевернуло мир электроники (Нобелевская премия 1956 г).
В курсе электроники Вы познакомитесь с большим разнообразием возможных конструкций транзистора, мы в качестве
примера рассмотрим работу плоскостного n-p-n–транзистора,
рис. 13.7.
135
ВХ
ВЫХ
V
V
ВХ
ВЫХ
R
R
ВХ
ВЫХ
P
P
ВХ
ВЫХК
Э
VJ
VJ
n p n
VВХ R
ВХ
Э Б К
R
ВЫХ
V
ВЫХ
V
Э
V
К
Рис. 13.7
Такой транзистор состоит из трех областей: левая n-область
(эмиттер), p-область (база) и правая n-область (коллектор).
При подаче на переход эмиттер – база прямого смещения происходит инжекция электронов (неосновных носителей) в p-
область. Если база тонкая, то рекомбинацией электронов с
дырками базы можно пренебречь, и почти все введенные электроны достигают контакта база – коллектор. Подхваченные
сильным полем перехода база – коллектор, включенного в обратном направлении, электроны перетекают в коллекторную
цепь транзистора (J
J
Э
).
К
Сделаем выходное сопротивление намного больше входного: R
RВХ. Такое подключение нагрузочного сопротивле-
ВЫХ
ния осуществимо, так как сопротивление перехода база – коллектор намного больше сопротивления перехода эмиттер –
база. В результате:
VВХ JЭRВХ, V
ВЫХ
JКR
ВЫХ
JЭR
, (13.6)
ВЫХ
или
что соответствует усилению по напряжению, будет иметь место и усиление по мощности:
, (13.7)
. (13.8)
136
Дополнительная мощность, выделяющаяся в коллекторной
цепи, потребляется от источника напряжения VК.
Усиление по току и по напряжению можно получить в схеме
с общим эмиттером. Большое усиление по току получается в
схеме с общим коллектором.
В качестве самостоятельной работы, с последующим рассмотрением на семинаре, ознакомьтесь с принципом работы
полевых транзисторов, и приборов с зарядовой связью, а также
возможностью использования транзистора, как логического
элемента ЭВМ.
13.5 Неравновесные носители заряда в полупроводниках
Кроме равновесных носителей заряда, созданных путем
теплового возбуждения, в полупроводниках и диэлектриках
возможно образование носителей заряда и другими методами:
фотовозбуждением, потоком заряженных частиц, введением
через контакт и т. д. Образование таких избыточных носителей
происходит с затратой энергии. Эта энергия берется от внешнего источника и непосредственно передается образующимся
носителям, поэтому в момент создания избыточные носители
могут не находиться в тепловом равновесии с решеткой кристалла. Такие носители заряда называются неравновесными.
Неравновесные носители могут неравномерно распределяться
по объему полупроводника.
Вследствие взаимодействия с фононами энергия неравновесных носителей уменьшается и в итоге выравнивается с
энергией равновесных носителей. Это выравнивание происходит почти мгновенно (за время около 10
10
с), что значительно
меньше времени жизни свободных носителей заряда в кристалле. В стационарном состоянии, как уже отмечалось, скорость
генерации носителей G равна скорости их рекомбинации R
(G R). Стационарному состоянию при возбуждении отвечает
концентрация n и p, без него – n0 и p0 , тогда концентрация избыточных носителей
137
kT
EE
FkC
e
n n n0 и p p p0. (13.9)
При слабом уровне возбуждения (например, для полупроводника n-типа)
pn0 n, p nn0. (13.10)
При высоком уровне
n, p nn0, pn0. (13.11)
Поскольку положение уровня Ферми в полупроводниках зависит от концентрации электронов, а в условиях дополнительного возбуждения концентрация электронов отличается от равновесной, то положение уровня Ферми в неравновесных условиях отличается от его положения в равновесных условиях и
определяется выражением
где E
n N
C
– энергия Ферми в неравновесных условиях, соответ-
F
k
, (13.12)
ствующая квазиуровню Ферми.
Вопросы для повторения
1. Пользуясь зонной схемой, объясните, какие процессы проте-
кают в области контакта полупроводников p- и n-типа.
2. Рассмотрите процессы, протекающие при прямом и обрат-
ном включении p-n–перехода.
3. От чего зависит толщина объемного слоя заряда в p-n–
переходе?
4. Запишите выражение для вольт-амперной характеристики p-
n–перехода.
5. Что называется варакторами и варисторами?
6. Какие причины могут вызвать электрический пробой p-n–
перехода?
7. Изложите принципы работы туннельного и обращенного ди-
одов.
8. В каких целях применяются устройства, содержащие p-n–
переходы?
9. Рассмотрите физические основы работы транзистора.
10. Дайте определение неравновесных носителей заряда в по-
лупроводниках.
138
7
EC
1 2 3 5 6
4
EV
а)
Рис. 14.1
E
1
1 1
0 p
б)
Лекция № 14
14.1 Поглощение света в кристаллах
Интенсивность света, проходящего через вещество, постепенно уменьшается. Поглощение электромагнитного излучения
твердым телом осуществляется различными путями, которые
по способу передачи энергии, можно разделить на два типа: 1)
энергия излучения расходуется на перевод электронов на более
высокое энергетическое состояние; 2) энергия электромагнитного поля передается кристаллической решетке и превращается
в тепло.
Возможные переходы электронов в кристаллах под действием света показаны на рис. 14.1.а. Переход 1 приводит к появлению электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне,
он возможен при энергии фотонов h
собственному (фундаментальному) поглощению. В момент
возникновения созданные светом носители заряда могут не
находиться в тепловом равновесии с кристаллической решеткой. Однако, вследствие взаимодействия с ней эти носители
быстро (примерно за 10
и соответствует
C
V
10
с) передают решетке свою избыточ-
139
ную энергию (данный процесс называется термализацией),
поэтому распределение по энергиям избыточных и основных
носителей заряда будет одинаковым.
При поглощении электроном фотона должны выполняться
законы сохранения энергии и импульса, поэтому более наглядно поглощение света описывается с помощью схемы, учитывающей изменение энергии Е и импульса р, рис. 14.1.б. На этом
рисунке показана зависимость от импульса полной энергии
электрона в зоне проводимости для определенного направления в кристалле (вверху) и дырки в валентной зоне (внизу),
сплошная линия относится к полупроводнику или диэлектрику,
у которых минимумы энергии электрона и дырки находятся в
одной точке пространства импульсов (прямозонный материал),
пунктирная – к материалу, в котором эти минимумы разнесены.
В материалах с прямыми зонами (к таким относятся, например, GaAs c E 1,4 эВ; CdSe – 1,8 эВ; CdS – 2,5 эВ; ZnO – 3,4
эВ и т.д.) преобладают прямые межзонные переходы (переходы 1), происходящие без изменения импульса. Такие переходы
возможны, т.к. импульс фотона p h/c (здесь с – скорость
света) очень мал, и приращением импульса электрона, поглотившего фотон, можно пренебречь, в прямозонных веществах
имеют место и непрямые переходы (переходы 1), когда сохранение импульса обеспечивается генерацией или поглощением
фонона или рассеянием на свободных носителях заряда и дефектах кристаллической решетки. При этом в любом случае
могут осуществляться переходы из любого занятого состояния
валентной зоны в любое свободное состояние зоны проводимости.
В непрямозонных кристаллах (таких, как Ge c Е 0,7 эВ;
Si – 1,1 эВ; GaP – 2,3 эВ и т.д.) доминируют непрямые переходы, соответствующие наименьшей энергии фотонов (переходы
1), при этом в процессе поглощения фотона участвует третья
частица – фонон, с которой и связано изменение импульса
электрона.
При поглощении света твердым телом возможно и такое
возбуждение электрона валентной зоны, при котором он не
140
переходит в зону проводимости, а образует с дыркой связанную кулоновскими силами систему (рис. 14.1.а, переход 2;
энергия системы обозначена черточками вблизи зоны проводимости). Такая система называется экситоном.
Подобно атому водорода экситон может находиться в возбужденном состоянии, поэтому в спектральной области, близкой к краю собственного (межзонного) поглощения, может
наблюдаться водородоподобная серия узких пиков экситонного
поглощения. Экситоны могут образовываться как в результате
прямых, так и непрямых переходов. Они являются нейтральными образованиями (подчиняются статистике Бозе), и их появление не приводит к изменению электрических характеристик образца. Если температура достаточно высока, чтобы под
действием тепловой энергии экситонный электрон смог перейти в зону проводимости, то конечным итогом будет тот же результат, что и при межзонном поглощении света. Экситоны
могут локализоваться у различных дефектов кристаллической
структуры (в основном у нейтральных образований); в спектрах оптического поглощения можно наблюдать линии, обусловленные образованием таких связанных экситонов. Спектроскопия связанных экситонов (измерения обычно проводятся при
низких температурах T 4,2 77 К) широко используется для
обнаружения и идентификации точечных дефектов в кристаллах.
При энергии фотонов h EС EV могут происходить переходы электронов с локальных уровней примесей или собственных дефектов в зону проводимости (рис. 14.1.а, переход 3) или
из валентной зоны на эти уровни (переход 4). Если кристаллы
содержат почти в равных и достаточно больших количествах
как донорные, так и акцепторные дефекты, то возможно ситуация, когда доноры и акцепторы будут находиться недалеко
друг от друга (расстояниях, менее 10 нм). В этом случае имеет
место перекрытие электронных орбит (точнее, волновых функций) донора и акцептора, которые образуют так называемые
донорно-акцепторные пары (ДАП). При поглощении кванта
света возможен переход электрона с акцепторного на свободный донорный уровень ДАП (переход 5).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]