МАТЕР. по лекц. НИКИТЕНКО- физика. Ч.2 2013 / Физика, часть III. Конспект лекций

Толщина слоя объемного заряда d, как и в случае диода Шоттки, зависит от внешнего приложенного напряжения V и возрастает с увеличением контактной разности потенциалов и

120

уменьшением концентрации основных носителей заряда в полупроводниках:

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

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 электроннодырочного 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:

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 твердотельными выпрямителями, коэффициент выпрямления у которых достигает сотен тысяч. Импульсные и высокочастотные p-n–переходы имеют быстродействие приблизительно 10 9 с, рабочие частоты до 109 Гц. Вид ВАХ p-n–перехода зависит от

121

концентрации носителей заряда, поэтому такие контакты ши-

роко используют для изготовления датчиков температуры, дав-

ления, 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

13.2. Туннельный диод

Работа туннельных диодов основана на квантовом явлении просачивания электронов через тонкий потенциальный барьер p- n–перехода, изготовленного из вырожденных полупроводников.

Вырожденные полупроводники – это материалы, у которых уро-

вень 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.

122

Отличительной особенностью ВАХ туннельных диодов является присутствие 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 полупроводников снижена настолько, чтобы при отсутст- J вии 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 отсут-

0V ствовать, поэтому обращенные диоды являются идеальными выпрямителями малых

Рис. 13.6 сигналов, рис.13.6.

13.4. Транзистор

Изобретение сотрудников фирмы «Bell Telephone Laboratories» Дж. Бардиным, В. Браттейном и В. Шоккли в 1948 г. полупроводникового аналога электронных усилительных 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.

124

n p n

Э Б К

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 транзи-

стора (JЭ JК).

Сделаем выходное сопротивление намного больше входного: RВЫХ RВХ. Такое подключение нагрузочного сопротивления осуществимо, так как сопротивление перехода база – коллектор намного больше сопротивления перехода эмиттер – база. В результате:

что соответствует усилению по напряжению, будет иметь место и усиление по мощности:

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

126

При слабом уровне возбуждения (например, для полупроводника n-типа)

При высоком уровне

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 EFk – энергия Ферми в неравновесных условиях, соответст-

вующая квазиуровню Ферми.

Вопросы для повторения

1.Пользуясь зонной схемой, объясните, какие процессы протекают в области контакта полупроводников p- и n-типа.

2.Рассмотрите процессы, протекающие при прямом и обратном 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 дио-

дов.

8.В каких целях применяются устройства, содержащие p-n– переходы?

9.Рассмотрите физические основы работы транзистора.

10.Дайте определение неравновесных носителей заряда в полупроводниках.

Литература: [1 – 5, 8 – 10]

127

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 C V и соответствует 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 10 с) передают решетке свою избыточную энергию (данный процесс называется термализацией), поэтому рас-

128

пределение 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 –

кматериалу, в котором эти минимумы разнесены.

Вматериалах с прямыми зонами (к таким относятся, напри-

мер, 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 переходит в зону проводимости, а образует с дыркой связанную кулоновскими силами систему (рис. 14.1.а, переход 2; энергия систе-

129