- •Предисловие
- •Условные обозначения
- •Список сокращений
- •Введение
- •Концептуальная диаграмма
- •Контрольныевопросыизадания
- •Глава 1структура и свойства твердых тел
- •Равновесное расположение частиц в кристалле
- •Идеальные кристаллы. Решетки Бравэ
- •Решетки Бравэ
- •Нормальные колебания решетки. Фононы
- •Структура реальных кристаллов
- •Структурозависимые свойства
- •Жидкие кристаллы
- •1.7. Аморфное состояние
- •Контрольныевопросыизадания
- •Глава 2физические основы квантовой механики
- •2.1. Волновые свойства микрочастиц
- •2.2. Уравнение Шредингера. Волновая функция
- •2.3. Свободный электрон. Фазовая и групповая скорости
- •2.4. Электрон в потенциальной яме
- •2.5. Туннелирование микрочастиц сквозь потенциальный барьер
- •Коэффициент прозрачности барьера
- •2.6. Квантовый гармонический осциллятор
- •2.7. Водородоподобный атом. Постулат Паули
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 3элементы статистической физики
- •3.1. Термодинамическое и статистическое описание коллектива. Функция распределения
- •3.2. Фермионы и бозоны. Вырожденные и невырожденные коллективы
- •Возможные варианты состояний
- •3.3. Функция распределения Максвелла-Больцмана Химический потенциал
- •3.4. Функция распределения Ферми-Дирака. Энергия Ферми
- •3.5. Функция распределения Бозе-Эйнштейна
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 4элементы зонной теории твердых тел
- •4.1. Обобществление электронов в кристалле
- •4.2. Модель Кронига-Пенни
- •4.3. Зоны Бриллюэна
- •4.4. Эффективная масса электрона
- •4.5. Зонная структура изоляторов, полупроводников и проводников. Дырки
- •4.6. Примесные уровни
- •Донорные примеси
- •Акцепторные примеси
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 5электропроводность твердых тел
- •5.1. Проводимость и подвижность носителей
- •5.2. Механизмы рассеяния и подвижность носителей
- •5.3. Концентрация носителей и уровень Ферми в полупроводниках
- •5.4. Электропроводность полупроводников
- •5.5. Электропроводность металлов и сплавов
- •5.6. Сверхпроводимость
- •Температура сверхпроводящего перехода
- •5.7. Основы теории Бардина – Купера – Шриффера
- •5.8. Эффекты Джозефсона
- •Параметры слабосвязанных сверхпроводниковых структур, изготовленных методами интегральной технологии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 6 равновесные и неравновесные носители заряда
- •6.1. Генерация и рекомбинация неравновесных носителей. Время жизни
- •6.2. Уравнения непрерывности
- •6.3. Фотоэлектрические явления в полупроводниках
- •3 − Экситонное поглощение; 4 − решеточное поглощение;
- •5 − Поглощение свободными носителями
- •2 − Полупроводниковая пленка; 3 − контактные площадки; 4 − защитное покрытие
- •6.4. Полупроводники в сильном электрическом поле
- •6.5. Токовые неустойчивости в сильных электрических полях
- •6.6. Эффект Ганна
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 7 Контактные явления
- •7.1. Работа выхода электрона. Контакт металл – металл
- •7.2. Контакт металл – полупроводник
- •7.3. Электронно-дырочный переход
- •7.4. Выпрямляющее действие p-n-перехода. Пробой
- •7.5. Гетеропереходы
- •7.6. Эффект Зеебека
- •7.7. Эффект Пельтье
- •7.8. Фотоэффект в p-n – переходе. Фотодиоды
- •7.9. Излучательные процессы в p-n – переходе. Светодиоды
- •Инжекционные полупроводниковые лазеры
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 8поверхностные явления в полупроводниках
- •8.1. Поверхностные энергетические состояния
- •8.2. Зонная диаграмма и заряд в приповерхностном слое
- •8.3. Поверхностная проводимость
- •8.4. Эффект поля. Полевые транзисторы
- •8.5. Влияние состояния поверхности на работу полупроводниковых приборов
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 9 Электронные процессы в тонких пленках и тонкопленочных структурах
- •9.1. Структура и свойства тонких пленок
- •Механизмы электропроводности в диэлектрических пленках
- •9.2. Контакт металл-диэлектрик. M-д-m – структура
- •Глубина обогащенного слоя [20]
- •Глубина области обеднения
- •9.3. Туннелирование сквозь тонкую диэлектрическую пленку
- •9.4. Токи надбарьерной инжекции электронов
- •9.5. Токи, ограниченные пространственным зарядом
- •9.6. Прохождение горячих электронов сквозь тонкие металлические пленки
- •9.7. Активные устройства на основе тонкопленочных структур
- •1. Диоды с резонансным туннелированием
- •2. Диэлектрические диоды
- •3. Тонкопленочный триод на основе топз
- •4. Транзисторы на горячих электронах
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 10 перспективы развития микроэлектроники
- •10.1. Ограничения интегральной электроники
- •10.2. Функциональная электроника
- •10.3. Системы пониженной размерности. Наноэлектроника
- •10.4. Квантовые одно- и двумерные структуры
- •10.5. Квантовые точки. Одноэлектроника
- •3 А) б) игла островок изолятор затвор исток
- •Контрольные вопросы и задания
- •Заключение
- •Приложения п.1. Фундаментальные физические постоянные
- •П.2. Свойства полупроводников
- •П.3. Некоторые единицы системы си Основные единицы
- •Некоторые производные механические единицы
- •Некоторые производные единицы электрических величин
- •Некоторые производные единицы магнитных величин
- •П.4. Внесистемные единицы, допускаемые к применению
- •П.5. Плотность некоторых твердых тел
- •Библиографический список
- •Алфавитно-Предметный указатель
- •Оглавление
- •424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3
- •424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17
7.8. Фотоэффект в p-n – переходе. Фотодиоды
Выше мы рассматривали фотоэлектрические явления в однородном полупроводнике и, прежде чем перейти к данной теме, рекомендуем вспомнить основные положения п. 6.3.
При освещении p-n-перехода электрически активным светом, способным вызвать генерацию неравновесных носителей, на концах разомкнутого перехода возникает ЭДС, называемая фотоЭДС. Если p-n-переход включить в замкнутую цепь, то в ней потечет ток Iф, называемый первичным фототоком. Этот эффект называетсяфотогальваническим эффектом, или вентильным фотоэффектом.
Рассмотрим физическую природу этого эффекта. На рис. 7.13 показан равновесный p-n-переход, p-область которого облучается световым потоком ФинтенсивностиI0, вызывающим генерацию в этой области электроно-дырочных пар. Скорость генерации определяется из выражения (6.43)
,
где α – коэффицент отражения поверхности,
β – квантовый выход.
Электрически активный свет поглощается уже в тонком слое вблизи поверхности, от которой носители диффундируют в глубь полупроводника. Если p-n-переход расположен на глубине lp<LФ, то значительная доля носителей окажется в области электрического контактного поля перехода. Это поле разделяет носители по знаку заряда и направляет электроны в n-область, а дырки в p-область перехода (рис. 7.13,б). Между p- и n-областями возникает фотоЭДС.
L
I0
lp
а)б)
Рис. 7.13. p-n-переход:а– образование фотоЭДС;б– зонная диаграмма
В переходе потечет первичный фототок Iф, а навстречу ему тепловой дрейфовый токIs. Поскольку существует динамическое равновесие токов с учетом (7.38), можно записать выражение
. (7.87)
Поскольку , выражение (7.87) примет вид
(7.88)
или
, (7.89)
где β – коэффициент собирания, равный относительной доле носителей, дошедших до перехода без рекомбинации.
Если включить такой p-n переход в обратном направлении в цепь, содержащую источник тока, то в нем потечет обратный ток jобр, противоположныйjф(рис. 7.14, а). Такой режим работы называютфотодиодным.
Суммарный ток через переход будет равен
(7.90)
Уравнение (7.90) называют общим уравнением фотодиода.
Uхх
R
а)
б)
Uвн
Uн
јФ
јкз
јR
јФ
+
¯
Рис. 7.14. Фотодиод: а– схема включения;б– ВАХ
Из последнего соотношения видно, что ВАХ облучаемого p-n перехода (фотодиода) смещается вниз по оси ординат пропорционально интенсивности света (рис. 7.14, б).
Если p-n переход разомкнут, то величина фотоЭДС может быть определена из (7.90); если считатьj=0, тогда фотоЭДС в режиме холостого хода будет равна
. (7.91)
В случае если p-n переход закорочен, то при умеренных токах можно полагать, что падение напряжения на переходе равно нулю. Тогда ток короткого замыкания равен фототокуjкз =jф(рис. 7.14,б)
В промежуточном случае, если p-n переход замкнут через некоторое сопротивление Rн, ток через переход и напряжение на ней определяется общим управлением фотодиода (7.89) или
, (7.92)
где
. (7.93)
Такой режим работы p-n-перехода получил название вентильного режима работыфотоэлемента, он осуществляется в четвертом квадранте.
Если p-n-переход работает в фотодиодном режиме (рис. 7.14, а) и, работая, точка не выходит за пределы третьего квадранта, ток через переход можно считать равнымjs+jф, а напряжение на переходе
UП=Uвн -RнIобр. (7.94)
где Iобр– полный обратный ток через переход.
Выражение (7.89) получено для идеализированного случая. В действительности как структура p-n-перехода, так и условия генерации и рекомбинации существенно отличаются от рассмотренных. В частности, излучение теряет свою интенсивность с глубиной проникновения в полупроводник, падает и скорость генерации носителей
g(x)=g0e-αx, (7.95)
где α – коэффициент поглощения.
Таким образом, толщина слоя, где происходит генерация, весьма мала (10-2– 1 мкм). Существенный вклад вносит и поверхностная рекомбинация носителей. Тогда необходимо выбирать условияlp<<Lp, т.е. очень тонкую p-область. С учетом сказанного можно найти выражение для вольт-амперной характеристики фотодиода
, (7.96)
где s– скорость поверхностной рекомбинации.
Первое слагаемое в (7.96) описывает темновой ток, а второе – фототок, который достигает максимума при s=0, т.е. в отсутствие поверхностной рекомбинации. При прочих равных условиях необходимо иметь максимальный коэффициент диффузии Dp и минимальные значения lp иs.
С целью более эффективного отвода носителей от поверхности p-n-переход формируют так, что при поверхностной области создается неравномерное распределение примеси. Это приводит к созданию тянущего поля в этой области.
Эффективность разделения полем перехода генерируемых носителей заряда характеризуется фоточувствительностью, равной отношению приращения фототока ΔIфк вызывающему его световому потоку ΔФ
(7.97)
или
, (7.98)
где ΔР– приращение мощности оптического излучения.
Вышеуказанные недостатки фотодиода на основе p-n-перехода устраняются в p-i-n фотодиодах, где между p- и n-областями расположен i-слой с собственной проводимостью. Толщина этого слоя выбирается достаточно большой lp>>Lp, с тем чтобы поглощение света происходило именно в этой области. В i-слое при нормальной температуре свободные носители практически отсутствуют. И при обратном смещении перехода все приложенное напряжение будет падать на высокоомном i-слое. Фотогенерированные пары в сильном поле i-слоя будут разделяться более эффективно, и фотоотклик таких диодов будет более быстрым. Основное преимущество p-i-n-фотодиода заключается в высоких скоростях переключения и высоком квантовом эффекте, поскольку толщина i-слоя позволяет большинству фотонов поглощаться в этом слое.
Для повышения фоточувствительности в качестве фотоприемника часто используют не фотодиод, а фототранзистор, где управление осуществляется светом, подаваемым на базовую область. Такой транзистор управляется не током базы, но световым потоком. Фоточувствительность фототранзистора больше, чем для фотодиода, поскольку транзистор имеет коэффициент усиленияβТ. Тогда полный фототок фототранзистора будет равен
, (7.99)
т.е. в β+1 больше фоточувствительности фотодиода при прочих равных условиях.
Новым типом эффективных фотоприемников, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). Они действуют на основе МДП структур (пп. 8.4, 10.2). На их базе разработаны ПЗС-матрицы, применяемые в цифровых видеокамерах и фотоаппаратах. Удешевление телевизионных камер на основе ПЗС-матриц с размером индивидуального элемента пикселя в несколько микрометров позволило использовать ПЗС-телекамеры в микрохирургии, микробиологии, микровидеооптике.
Серийное производство ПЗС-матриц осуществляется компаниями Texas Instruments, Sony, Samsung,Kodakи др. Среди российских производителей можно назвать НПП «Электрон-Оптроник», НПП «Силар» (Санкт-Петербург).
В качестве примера продукции этих предприятий можно привести матрицу ПЗС ISD-077, в которой число элементов составляет 1040 при размере ячейки 16х16 мкм с общей фоточувствительной поверхностью – 16,6 мм2. На ее базе разработана малокадровая цифровая камера SEC1077, предназначенная для регистрации изображений в ультрафиолетовом и видимом спектральных диапазонах, используемая в астрономии, медицине, технологии МЭА.