- •О.С.Агеева, т.Н.Строганова, к.С.Чемезова
- •Предисловие
- •1.Элементы квантовой механики
- •1.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •1.2. Соотношение неопределенностей
- •1.3. Волновая функция
- •1.4. Уравнение Шредингера
- •1.5. Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •1.6. Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •1.7. Понятие о туннельном эффекте.
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Состояния электрона в атоме водорода
- •1.9. 1S– состояние электрона в атоме водорода
- •1.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •1.11. Спектр атома водорода
- •1.12. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •1.13. Лазеры
- •1.13.1. Инверсия населенностей
- •1.13.2. Способы создания инверсии населенностей
- •1.13.3. Положительная обратная связь. Резонатор
- •1.13.4. Принципиальная схема лазера.
- •1.14. Уравнение Дирака. Спин.
- •2. Зонная теория твердых тел.
- •2.1. Понятие о квантовых статистиках. Фазовое пространство
- •2.2. Энергетические зоны кристаллов. Металлы. Полупроводники. Диэлектрики
- •Удельное сопротивление твердых тел
- •2.3. Метод эффективной массы
- •3. Металлы
- •3.1. Модель свободных электронов
- •При переходе из вакуума в металл
- •3.2. Распределение электронов проводимости в металле по энергиям. Уровень и энергия Ферми. Вырождение электронного газа в металлах
- •Энергия Ферми и температура вырождения
- •3.3. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.4. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников. Применение сверхпроводимости
- •3.5. Понятие об эффектах Джозефсона
- •4. Полупроводники
- •4.1. Основные сведения о полупроводниках. Классификация полупроводников
- •4.2. Собственные полупроводники
- •4.3.Примесные полупроводники
- •4.3.1.Электронный полупроводник (полупроводник n-типа)
- •4.3.2. Дырочный полупроводник (полупроводник р-типа)
- •4.3.3.Компенсированный полупроводник. Частично компенсированный полупроводник
- •4.3.4.Элементарная теория примесных состояний. Водородоподобная модель примесного центра
- •4.4. Температурная зависимость удельной проводимости примесных полупроводников
- •4.4.1.Температурная зависимость концентрации носителей заряда
- •4.4.2.Температурная зависимость подвижности носителей заряда
- •4.4.3. Температурная зависимость удельной проводимости полупроводникаn-типа
- •4.4.5. Термисторы и болометры
- •4.5. Рекомбинация неравновесных носителей заряда в полупроводниках
- •4.6. Диффузия носителей заряда.
- •4.6.1. Диффузионная длина
- •4.6.2. Соотношение Эйнштейна между подвижностью и коэффициентом диффузии носителей заряда
- •4.7. Эффект Холла в полупроводниках
- •4.7.1. Возникновение поперечного электрического поля
- •4.7.2. Применение эффекта Холла для исследования полупроводниковых материалов
- •4.7.3. Преобразователи Холла
- •4.8. Магниторезистивный эффект
- •5. Электронно-дырочный переход
- •5.1.Образование электронно-дырочного перехода
- •5.1.1. Электронно-дырочный переход в условиях равновесия (при отсутствии внешнего напряжения)
- •5.1.2.Прямое включение
- •5.1.3.Обратное включение
- •5.2.КласСификация полупроводниковых диодов
- •5.3. Вольт-амперная характеристика электроннно-дырочного перехода. Выпрямительные, детекторные и преобразовательные диоды
- •5.3.1.Уравнение вольт-амперной характеристики
- •Классификация полупроводниковых диодов
- •5.3.2.Принцип действия и назначение выпрямительных, детекторных и преобразовательных диодов
- •5.4. Барьерная емкость. Варикапы
- •5.5.Пробой электронно-дырочного перехода
- •5.6. Туннельный эффект в вырожденном электронно-дырочном переходе. Туннельные и обращенные диоды
- •6.Внутренний фотоэффект в полупроводниках.
- •6.1.Фоторезистивный эффект. Фоторезисторы
- •6.1.1.Воздействие излучения на полупроводник
- •5.1.2.Устройство и характеристики фоторезисторов
- •6.2.Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Полупроводниковые фотодиоды и фотоэлементы.
- •6.2.1.Воздействие света наp-n-переход
- •7.Люминесценция твердых тел
- •7.1.Виды люминесценции
- •7.2.Электролюминесценция кристаллофосфоров
- •7.2.1. Механизм свечения кристаллофосфоров
- •7.2.2. Основные характеристики электролюминесценции кристаллофосфоров
- •7.2.3.Электролюминесцентный источник света
- •7.3.Инжекционная электролюминесценция. Устройство и характеристики светодиодных структур
- •7.3.1.Возникновение излучения в диодной структуре
- •7.3.2.Конструкция светодиода
- •7.3.3.Основные характеристики светодиодов
- •7.3.4.Некоторые применения светодиодов
- •7.4 Понятие об инжекционных лазерах
- •8. Транзисторы
- •8.1.Назначение и виды транзисторов
- •8.2.Биполярные транзисторы
- •8.2.1 Структура и режимы работы биполярного транзистора
- •8.2.2.Схемы включения биполярных транзисторов
- •8.2.3.Физические процессы в транзисторе
- •8.3.Полевые транзисторы
- •8.3.1.Разновидности полевых транзисторов
- •8.3.2.Полевые транзисторы с управляющим переходом
- •8.3.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором. Структуры мдп-транзисторов
- •8.3.4.Принцип действия мдп-транзисторов с индуцированным каналом
- •8.3.5. Мдп-транзисторы со встроенным каналом
- •8.4. Сравнение полевых транзисторов с биполярными
- •Заключение
- •1.Элементы квантовой механики 4
- •2. Зонная теория твердых тел. 42
- •3. Металлы 50
- •4. Полупроводники 66
- •5. Электронно-дырочный переход 98
- •6.Внутренний фотоэффект в полупроводниках. 109
- •7.Люминесценция твердых тел 114
- •8. Транзисторы 123
6.Внутренний фотоэффект в полупроводниках.
6.1.Фоторезистивный эффект. Фоторезисторы
6.1.1.Воздействие излучения на полупроводник
Изменение электрического сопротивления полупpоводника под воздействием электромагнитного излучения называют фоторезистивным эффектом (другое название - явление фотопроводимости). Добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными оптической генерацией, носит название фотопроводимости.
Внутренний фотоэффект может наблюдаться как в собственных, так и в примесных полупроводниках. Рассмотрим фотопроводимость в собственном полупроводнике (рис.6.1). Если такой полупроводник облучать светом с энергией квантов больше или равной ширине запрещенной зоны, то происходит поглощение квантов. При этом их энергия идет на образование дополнительных (неравновесных) электронно-дырочных пар. В отсутствии света полупроводник обладает некоторой проводимостью (так называемаятемновая проводимость 0), которая определяется равновесными носителями. При освещении полупроводника к ней добавляется фотопроводимость ф, обусловленная неравновесными носителями. В целом удельная проводимость фотопроводника определяется суммой
= 0 + ф . (6.1.1)
Поглощение излучения собственным полупроводником будет происходить в том случае, если энергия кванта hбольше или равна ширине запрещенной зоны. Такой квант вызовет разрыв валентной связи и обpазование добавочных свободных электрона и дырки. В случае примесного полупроводника минимальная энергия кванта равна энергии ионизации примеси. Очевидно, что для внутреннего фотоэффекта существует красная (длинноволновая) граница. Для собственного полупроводника она определится следующим образом:
, (6.1.2)
или
, (6.1.3)
а для примесного
или(6.1.4)
Здесь кр и кр- частота и длина волны красной границы.
5.1.2.Устройство и характеристики фоторезисторов
Фоторезистор – это полупроводниковый резистор, действие которого основано на фоторезистивном эффекте.
Конструктивно фоторезистор представляет собой тонкий слой полупpоводника (фоточувствительный слой), нанесенный на диэлектрическую подложку. На поверхность фоточувствительного слоя или на диэлектрическую подложку наносят металлические электроды. Наиболее распространенные фоторезисторы изготовлены из сульфида свинца, сульфида кадмия, селенида кадмия. Форма фоточувствительного слоя между электродами (рабочей площадки) может быть прямоугольной, в виде меандра, в виде кольца. Фоторезистор обычно помещают в защитный корпус с прозрачным окошком.
Основными характеристиками фоторезистора являются: спектральная, световая (люкс-ампеpная) и вольт-амперная.
Спектральная характеристика - это зависимость фотопроводимости или фототока от длины волны падающего на фоторезистор света пpи постоянном напряжении. Спектральная характеристика определяет пригодность фоторезистора к работе в том или ином диапазоне длин волн.
Типичная зависимость спектральной чувствительности от длины волны (спектральная характеристика) представлена на рис. 6.2.
Заметим, что энергия кванта увеличивается с уменьшением длины волны. Пpи больших значениях длины волны (малых частотах) энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны, такое излучение не поглощается полупроводником и фотопроводимость отсутствует. При появляется фотопроводимость. Пpи дальнейшем уменьшении длины волны (увеличении энергии кванта) поглощение света полупроводником продолжает расти, а фотопроводимость, тем не менее, падает. Это объясняется тем, что глубина проникновения излучения в вещество уменьшается, избыточные электроны и дырки образуются в тонком поверхностном слое, где вероятность рекомбинации велика из-за наличия всевозможных дефектов. Среднее время жизни носителей уменьшается, и они "не успевают" принять участие в переносе тока.
Световая характеристика - это зависимость фототока от падающего светового потока или освещенности пpи постоянном напряжении на фоторезисторе. Вольт-амперная характеристика - это зависимость тока от напpяжения пpи постоянном световом потоке (постоянной освещенности) и неизменном спектральном составе света. Световая и вольт-амперная характеристики фоторезисторов, как правило, имеют вид прямой линии.