- •ВВЕДЕНИЕ
- •§1. Краткие сведения по квантовой механике
- •§2. Уравнение Шредингера
- •§3. Энергетические состояния электронов в водородоподобных системах
- •РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
- •1.1. Полупроводники
- •Энергетические (зонные) диаграммы полупроводников.
- •Уровень Ферми
- •Физические процессы в полупроводниках
- •Беспримесный полупроводник.
- •Процесс генерации пар зарядов.
- •Примеси в полупроводниках.
- •Дырочный полупроводник (р-типа).
- •1.2 Типы рекомбинации
- •1.3. Электронно-дырочный переход.
- •§1. Классификация. Методы изготовления.
- •§2. Свойства р-n-перехода.
- •Р-n-переход при прямом включении.
- •P-n-переход при обратном включении
- •Учет дополнительных факторов, влияющих на вольт-амперную характеристику диода. Пробой.
- •РАЗДЕЛ 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
- •2.1. Полупроводниковые диоды
- •§ 1. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ.
- •§2. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДИОДЫ.
- •§ 3. ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ.
- •§ 4. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДИОДЫ.
- •§ 5. СТАБИЛИТРОНЫ.
- •§ 6. ВАРИКАПЫ.
- •§ 8. ОБРАЩЕННЫЕ ДИОДЫ.
- •§ 9. РАБОЧИЙ РЕЖИМ ДИОДА.
- •2.2. Биполярные транзисторы
- •§ 1. Общие сведения. Устройство.
- •§ 2. Физические процессы, протекающие в VT. Токи VT.
- •§3. Основные схемы включения транзисторов.
- •§4 Влияние температуры на статические характеристики VTа.
- •§5 Эквивалентные схемы замещения транзистора.
- •§6 Представление транзистора в виде четырехполюсника и системы статистических параметров.
- •§7 Эл. пар-ры, классификация и система обозначений VTов.
- •2.3 Полевые транзисторы
- •§1. Полевые транзисторы с управляющим переходом.
- •§2. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.
- •§3. Полевые транзисторы с изолированным затвором.
- •2.4. Тиристоры (VS)
- •§ 1. Принцип действия.
- •§ 2. Математический анализ работы тиристора (не нужно).
- •§ 3. Вольт – амперная характеристика тиристора.
- •§ 4. Типы тиристоров.
- •§ 5. Особенности работы и параметры тиристоров.
- •2.5. Оптоэлектронные полупроводниковые приоры.
- •Полупроводниковые излучатели
- •Фотоприемники (общие сведения)
- •Фоторезисторы
- •Фотодиоды
- •Фотоэлементы
- •Фототранзисторы
- •Фототиристоры
- •Оптроны
- •2.6. Интегральные микросхемы
- •РАЗДЕЛ 3. УСИЛИТЕЛИ
- •§1. Анализ процесса усиления электрических сигналов
- •§2. Работа УЭ с нагрузкой.
- •Динамические х-ки.
- •Нагруз. линии У и их построение.
- •Сквозная характеристика У на биполярном VT.
- •§3. Стр - рная схема У. Классификация У.
- •Общие сведения.
- •Классификация У.
- •§4 Основные параметры и характеристики усилителей.
- •§5 Обратная связь в усилителях.
- •Режимы работы УЭ.
- •РАЗДЕЛ 4. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
- •Общие сведения
- •Инвертирующий усилитель
- •Интегратор
- •Содержание
1.2 Типы рекомбинации |
|
|
|
|
|
||||||||
В зависимости от механизма различают три вида рекомбинации: межзонную |
|||||||||||||
рекомбинацию, |
рекомбинацию через локальные центры и поверхностную рекомбинацию. |
||||||||||||
Межзонная рекомбинация осуществляется при переходе свободного электрона из |
|||||||||||||
зоны проводимости в валентную зону, |
|
что сопровождается уничтожением свободного |
|||||||||||
электрона и |
дырки, |
на месте которой появляется связанный электрон. |
Этот процесс |
||||||||||
совершается при соблюдении законов сохранения энергии и импульса. Так как энергия |
|||||||||||||
электрона в валентной зоне меньше энергии электрона в зоне проводимости, то процесс |
|||||||||||||
межзонной рекомбинации должен сопровождаться выделением энергии |
|
||||||||||||
|
E ≈ Eпр – EB |
|
|
|
|
|
|
(49) |
|
||||
В зависимости от того, на что расходуется энергия, различают следующие виды |
|||||||||||||
межзонной рекомбинации: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Излучательную, при которой энергия |
Е излучается в виде кванта света (фотона); |
||||||||||||
безизлучательную, |
при которой энергия |
Е передается кристаллической решетке, |
|||||||||||
то есть расходуется на образование фононов. |
|
|
|||||||||||
При излучательной межзонной рекомбинации в соответствии с законом сохранения |
|||||||||||||
энергии должен испускаться фотон с энергией |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
hυ ≈ Eпр |
– EB |
|
|
|
|
(50) |
||
|
Вместе с тем из закона сохранения импульса следует, что |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
hυ/С = Pпр –PB |
|
|
|
(51) |
||||
|
Поскольку импульс фотона hυ/С |
ничтожно мал по сравнению с импульсом |
|||||||||||
электрона, то последнее равенство можно переписать так |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
Pпр –PB |
≈ 0 |
|
|
|
|
(52) |
||
Рассматривая |
– PB |
как импульс свободной дырки, приходим к выводу, что при |
|||||||||||
межзонной излучательной рекомбинации возможны лишь такие переходы, при которох |
|||||||||||||
электрон зоны проводимости встречается с дыркой валентной зоны, имеющей равный по |
|||||||||||||
величине и противоположный по направлению импульс. |
|
||||||||||||
Несложно |
показать, |
что скорость межзонной излучательной рекомбинации |
|||||||||||
увеличивается по мере уменьшения ширины запрещенной зоны полупроводника и |
|||||||||||||
увеличение |
его |
температуры. |
Поэтому данный вид рекомбинации может иметь |
||||||||||
единственное значение лишь для полупроводников с узкой запрещенной зоной и при |
|||||||||||||
достаточно высоких температурах. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
При безизлучательной |
(фононной) |
рекомбинации избыточная энергия выделяется в |
|||||||||||
виде фононов. Оценки показывают, что максимальная энергия фононов в кристаллах не |
|||||||||||||
превышает |
|
0,1 |
эВ. Это означает, |
что при рекомбинации через запрещенную зону |
|||||||||
шириной порядка |
1 |
эВ должно произойти одновременно испускание большого числа |
|||||||||||
фононов. Следовательно, |
межзонная безизлучательная рекомбинация через относительно |
||||||||||||
широкую запрещенную зону должна быть |
|
||||||||||||
многофононной. |
Известно, |
что |
|
вероятность |
|
||||||||
многофононных процессов быстро падает с |
|
||||||||||||
увеличением числа |
фононов, участвующих в |
|
|||||||||||
процессе. Это означает, что в полупроводниках |
|
||||||||||||
с широкой запрещенной зоной межзонная |
|
||||||||||||
фононная |
рекомбинация |
является |
|
также |
|
||||||||
маловероятной. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Опыт, |
|
однако, |
показывает, |
что с |
|
||||||||
увеличением |
|
ширины |
запрещенной |
|
зоны |
|
|||||||
безизлучательная |
рекомбинация |
все |
|
более |
|
||||||||
преобладает |
|
над |
излучательной. |
|
|
Это |
|
||||||
противоречие объясняется тем, |
что по мере |
|
|||||||||||
увеличения ширины запрещенной зоны более |
|
вероятными становятся не прямые переходы через нее, а переходы через локальные уровни, расположенные в запрещенной зоне.
Рекомбинация через локальные уровни (центры). Как мы выяснили раньше, наличие дефектов и примесей в полупроводнике приводит к появлению в его энергетической диаграмме локальных энергетических уровней, расположенных в запрещенной зоне. Рассмотрим, какую роль они играют в процессе рекомбинации свободных носителей зарядов.
Пусть в запрещенной зоне донорного полупроводника, имеющего значительную концентрацию электронов зоны проводимости, располагается свободный локальный уровень Ел (рис. 8а), наличие которого обусловлено присутствием примесного атома или дефекта решетки. В этом случае рекомбинация проходит в два этапа .
Первым этапом является захват электрона зоны проводимости указанным примесным атомом ёёёёёё (или, как горят, захват электрона проводимости локальным уровнем Ел, как показано стрелкой 1 на рис. 8а). Дальнейшее поведении захваченного электрона может быть двояким. Электрон может перейти в валентную зону (стрелка 2) на свободный уровень, что эквивалентно захвату на локальный уровень дырки и ее рекомбинации с электроном. Возможен и показанный стрелкой 3 обратный тепловой переброс электрона в зону проводимости. Этомт процесс препятствует рекомбинации электрона и дырки. Таким образом, интенсивность процесса рекомбинации определяется соотношением вероятностей процессов, указанных стрелками 2 и 3.
Если локальные уровни располагаются близко к дну зоны проводимости или к потолку валентной зоны (рис. 8б), то есть являются мелкими, то вероятность протекания через них рекомбинации так же мала, как и вероятность межзонной рекомбинации. Поэтому наличие мелких локальных уровней приводит лишь к энергичному обмену электронами между ними и зоной проводимости (или валентной зоной) и не дает вклада в процесс рекомбинации. Дефекты или примеси, приводящие к появлению таких локальных уровней, называют ловушками захвата или центрами прилипания.
Если же локальный уровень глубокий, то вероятность обратного переброса (например, электрона в зону проводимости) незначительна, преобладает процесс захвата дырки, то есть происходит интенсивный процесс рекомбинации.
Дефекты или примеси, приводящие к появлению глубоких локальных уровней, на которых протекает процесс рекомбинации свободных электронов и дырок, называют рекомбинационными ловушками или центрами рекомбинации.
Высокая интенсивность процесса рекомбинации на рекомбинационных ловушках объясняется тем, что при этом механизме избыточная энергия передается кристаллической решетке в два этапа (двумя примерно равными порциями), то есть на каждом этапе в реакции участвует меньшее число фононов, чем при межзонной рекомбинации. Немаловажное значение имеет также тот факт, что вероятность встречи дырки с неподвижным электроном, локализованным на дефекте, значительно выше вероятности встречи её с подвижным электроном.
У примесных акцепторных полупроводников, имеющих значительную концентрацию дырок в валентной зоне, первым этапом рекомбинации является переход дырки из валентной зоны на локальный рекомбинационный уровень, а вторым этапом – захват электрона зоны проводимости и его рекомбинация с дыркой. Обратный тепловой переброс дырки в валентную зону препятствует процессу рекомбинации.
Отметим, что интенсивность протекания рекомбинации через рекомбинационные ловушки зависит от степени легирования полупроводника. В собственном полупроводнике она минимальна и увеличивается как по мере добавления донорных, так и по мере добавления акцепторных примесей.