6.3. Электронно-дырочный переход.
Электронно-дырочный переход лежит в основе работы очень многих приборов полупроводниковой электроники – выпрямляющих диодов, туннельных диодов, фотодиодов, лавинных диодов, лазеров, полевых транзисторов и т.д. Поэтому мы сейчас качественно рассмотрим физические процессы15, происходящие в области электронно-дырочного перехода. Пусть одна часть полупроводника легирована донорами (рис. 6.4.) и, следовательно, основными носителями тока в ней являются электроны. Вторая часть легирована акцепторами и тогда в ней основными носителями тока являются дырки. Пусть концентрация акцепторов больше концентрации доноров. Тогда подвижные носители заряда (электроны и дырки), из тех мест, где их много, будут распространяться в те места, где их мало – в нашем случае электроны изn-области вp– область, а дырки – наоборот, изp-области вn– область. Позади себя электроны будут оставлять нескомпенсированные положительные неподвижные заряды доноров, а дырки будут оставлять нескомпенсированные неподвижные заряды акцепторов. Такой процесс выравнивания концентраций называетсядиффузией. Поскольку концентрация доноров меньше чем, концентрация акцепторов, то область нескомпенсированного положительно заряда вn– области будет больше, чем область отрицательного заряда вp– области, как это показано на рис.6.4а. В результате такого разделения зарядов образовался двойной электрический слой - слой отрицательных зарядов вp – области,и слой положительных зарядов вn– области. Диффузионное перемещение подвижных зарядов будет продолжаться до тех пор, пока образовавшееся электрическое поле не приведёт к тому, что ток черезp-nпереход не станет равным нулю. Это поле создаст так называемую контактную разность потенциаловφк. В результате установится некоторое распределение концентраций электронов и дырок в областиp-nперехода (рис.6.4 б). Образовавшееся электрическое поле создаст потенциальный барьер для дальнейшего проникновения электронов из донорной области в акцепторную. Величина этого барьера будет равна
(6.11).
Здесь FpиFn– положения уровня Ферми в дырочном и электронном полупроводникахдо приведения их в контакт.После установления равновесия уровень Ферми будет общим для всей структуры, но это приведет к изгибу краёв зоны проводимости и валентной зоны, как это показано на рис. 6.4с. Концентрации электронов вp-области и дырок вn-области будут определяться аналогичными выражениями
(6.12)
Если к p-nпереходу приложить внешнее напряжениеVв прямом направлении (минусом кn-области), то высота потенциального барьера для основных носителей уменьшится на величинуeV. Это приведёт к увеличению концентрации электронов и дырок как вблизи контакта, так и во всем объёме полупроводника на величины
(6.13)
Из (6.13) видно, что концентрация основных носителей резко увеличится. Эти дополнительные носители поступят из контактов, а такой процесс впрыскивания дополнительных носителей из контактов при соответствующей полярности внешнего напряжения, приложенного к p-nпереходу, называетсяинжекцией.
При обратном включении напряжения (плюсом к n-области) высота потенциального барьера для электронов вn-области и для дырок в вp – области увеличится, а это означает, что добавка к концентрации и электронов и дырок будет отрицательная и снова будет определяться выражением (6.13), с учётом того, что теперь показатель у экспоненты будет отрицательный.
Можно
показать, что ток черезp-nпереход
в зависимости от внешнего приложенного
напряжения определяется следующим
выражением
(6.14),
причём для обратной полярности приложенного напряжения необходимо брать в показателе экспоненты знак “-“, а для пропускного направления – знак ”+”. Здесь js плотность тока насыщения для обратной полярности приложенного напряжения – см. рис. 6.5.
Лекция 7.
7.1. Энергетический спектр размерно-квантованнй плёнки. Плотность состояний.
7.2. Пространственное квантование и условия для его наблюдения.
7.3. Понятие о гетеропереходе и квантовой яме.
Гетеропереходом (гетеросоединением, гетероконтактом) – называют контакт 2-х полупроводников с разной шириной запрещенной зоны.
7.4. Ненапряжённые и напряжённые структуры.
7.5. Модуляционное легирование и легирование в яму.
7.6. MQWструктуры и сверхрешётки.
7.7. Полупроводниковые светодиоды и лазеры. Преимущества квантовых ям.
7.8. Ямы в электрическом поле. Каскадные лазеры.
1Напомним, что в начале века была выдвинута идея М.Планка, что свет излучается порциями, квантами, или фотонами. Причём, как было вскоре установлено, в одних опытах свет ведёт себя как волна, а в других – как частица. Таким образом, в оптике был признан корпускулярно-волновой дуализм света.
2Стационарными называются состояния, для которых полная энергия частицы остаётся постоянной.
3Напомним, что дифференциальное уравнение
гармонических колебаний имеет вид
.
4Напомним, что частицы с половинным спином называются фермионами, а частицы с целочисленным спином называются бозонами.
5БлохинцевОсновы квантовой механики
6Напомним, что подвижность определяется из соотношения = E, или =/E– подвижность определяется как скорость, приобретаемая электроном в поле с напряжённостью, равной 1.
7Строго говоря, приближение Борна-Оппенгеймера позволяет гамильтониан кристалла рассматривать как сумму электронного и ядерного гамильтонианов. Поскольку нас интересует только электронный гамильтониан, то мы в дальнейшем исключаем из рассмотрения ядерную часть гамильтониана.
8Вспомним также, что для свободного
электрона
9Упрощённые в том смысле, что не показаны высоколежащие энергетические подзоны как в зоне проводимости, так и в валентной зоне.
10Ю. Кардона. Основы физики полупроводников.
11Здесь под вырождением понимается то, что энергии подзон приk=0одинаковы.
12Фермионами называются частицы с полуцелым (в единицах) спином
13В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников. Физика полупроводников
14Здесь мы под элементарной ячейкой понимаем минимальное количество атомов, повторяя которые, можно построить кристаллическую решётку данного вещества. Для германия и кремния элементарная ячейка состоит из 2-х атомов.
15Теорияp –n-перехода была создана в 1949 г. В.Шокли.