III. 1.4. Оптичні і фотоелектричні явища в напівпpовідниках.

Світло, проходе у нп/п, і вступає з кришталевими гратами носіїв в взаємодію, що зв'язане з обміном енергією:

dI=-I dx,

(48)

Де: I - інтенсивність світла

- показник абсорбції

dx - нескінченно тонкий шар

При нормальному падінні світла в слабко поглинаючих середах, коефіцієнт відбиття розраховується згідно формули:

R=(n-1) 2/(n+1) 2,

(49)

Де для більшості нп/п n=3... 4 R=25... 36%.

Залежність від L - спектрального абсорбції.

У нп/п є декілька механізмів оптичної абсорбції:

А) власна абсорбція – можлива, якщо W фотонів перевищує ширину забороненої зони;

Б) ексітонна абсорбція - при абсорбції фотонів утворюються особливі схвильовані стани електpо - валентної зони, які звуться - екситонами - системи паp електрон і залишена їм діpка.

В) поглинання світла носіями заряду - зумовлений переходом дірок і електронів з одного рівня на інший під впливом квантів світла всередині енергетичних зон. Під впливом електричного поля світлової хвилі, носії заряду вчиняють коливальний рух синхронно з полем. Прискорюючись полем, під час вільного пробігу, електрони передають ґратам кінетичну енергію (засіб перетворення енергії світлової хвилі в термальну енергію).

Г) домішкове поглинання світла - збудження примесных атомів в кришталевих ґратах. Енергія поглинаючих квантів витрачується на:

+перехід електронів з донорних рівней до зони провідності;

+перехід електронів з валентної зони на акцепторний рівень;

Д) поглинання світла ґратами - відбувається в наслідок взаємодії електромагнітного поля з рухаючимися (колваючими) зарядами вузлів кришталевих грат. В наслідок відбувається модифікація коливальної енергії атомів.

III. 1.5. Утворення p/n переходу.

Якщо взяти два напівпровідника, які знаходяться в щільному контакті між собою, причому різної електропровідності (p і n типів), то при пропусканні електричного. струму крізь дану конструкцію в одному напрямку буде помітно проходження струму, а в зворотному спостерігатися великий ОПІР проходженню.

Дана конструкція має назву p/n перехід. Завдяки щільному контакту обох напівпровідників на їхній межі виникає дифузійні процеси взаємопроникнення часток, які утворюють прикордонний шар. Даний шар грає роль при додатку джерела енергії при дослідженні пари нп/п. В залежності від напрямку додатку енергії прикордонний шар може збільшуватися або зменшуватися. Завдяки цьому, якщо змінювати відстань подолання бар'єру прикордонного шару для електронів, можливо пропускати або затримувати потік електронів.

III. 1.6. Ефект Холу.

Фізичні явища, що виникають в напівпровіднику при одночасному впливі на нього електричного і магнітного полів, називають гальваномагнітними ефектами. Серед гальваномагнітних ефектів однім з найважливіших є ефект Холу. Суттєвість його полягає в наступному: якщо пластину нп/п, по котрій йде електричний струм, вмістити в магнітне поле, перпендикулярне струму, то на бічних гранях пластини в напрямку, пеpпендикуляpном струму і магнітному полю, виникає різність потенціалів. Величина ЕРС Холу Ен пpопоpційна величині струму:

Eн=(R*B*I)/,

(50)

Де: В - вектор магнітної індукції;

I - струм, що проходить по напівпровіднику;

Rн - коефіцієнт Холу;

- товщина пластини напівпровідника

Коефіцієнт Холу в залежності від структури напівпровідника визначається залежностями: для Р-типу і n-типу

Rí=A/(q*n) [м3/Кл] p – типу,	(51)
Rí=-A/(q*n) [м3/Кл] n – типу,	(52)

Де: n - концентрація носіїв;

q - заряд електpону або вакансії;

А - множник, котрий змінюється в залежності від механізму розсіювання частинок в напівпровіднику при різноманітних температурах і коливається. I<= A <=2 при використанні в якості нп/п Si, при використанні в якості нп/п Ge визначається з формулювання: A= (3*)/8

Аналіз виразів [50-52] дозволяє вирішити їх відносно концентрації носіїв. З [50] слідує:

R=(E*)/(B*I),

(53)

Порівнюємо вирази

(E*)/(B*I)=A/(q*n),

(54)

Звідси:

n=(A*B*I)/(E**q),

(55)

Поява ЕРС Холу обумовлена тим, що на носії заряду, які рухаються зі швидкістю в магнітному полі індукцією В, діє сила Лоренцо. F = e*[V*B], відхиляючи їх до однієї з бокових граней пластини. Напрямок дії цієї сили можна визначити згідно правила лівої руки, віднесеного до технічного напряму струму.

При цьому слід пам'ятати таку характеристику носіїв заряду як рухливість : - це відношення середньої швидкості руху, що встановилася до прикладеної напруженості електричного поля:

 V/E,

(56)

Ця характеристика визначається сумою факторів:

(e/m)*to = (e/m)*(l/u),

(57)

Де: е - заряд електрона

m - ефективна маса носіїв заряду

u - термальна швидкість руху заряду

to - час вільного пробігу (час релаксації)

l - довжина вільного пробігу.

Використовуючи формулу Лоренца F=e [V*B] і вирази [56] і [57] одержуємо:

F=e*m* [E*B]=((e2*to)/m)*[E*B],

(58)

З [58] слідує що напрям сили Лоpенца не залежить від носіїв заряду, а визначається лише напрямками електричного Е і магнітного В полів.

ЕРС Холу в напівпровіднику n-типу протилежна цієї – же ЕРС в матеріалі Р-типу, що служить для визначення структури напівпровідника pис. 1. Згідно результатів виміру ЕРС можна визначити також рухливість зарядів, при відомому значенні потомної провідності. З рівняння (55) видно що концентрація носіїв залежить від:

А) механізму pозгону частинок в напівпровіднику (А);

Б) вектора магнітної індукції магнітного поля (В);

В) струму, що проходить по напівпровіднику (I);

Г) величини різності потенціалів (Ен=f1 - f2) стоpін напівпровідника;

Д) товщини напівпровідника (b);

Е) наявність множнику А говоpить про те, що концентрація носіїв також залежить від температури.

Джерела:

Л1-стор. 98-104, 111-112, 123-131

Л2-стор. 268-277, 283-290

Л3-стор. 260-268, 277-282

Тема ІІІ.2. Напівпровідникові матеріали та їх параметри

ПЛАН