Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

FTT-stud / view8

.pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
146.19 Кб
Скачать

РОЗДІЛ 8. ЕЛЕКТРИЧНІ, ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ ТА ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОНТАКТІВ

8.1. Випрямляючі властивості бар’єра Шотткі

Важливою властивістю блокуючого бар’єра є його здатність створювати різний опір залежно від напрямку пропускання струму через контакт. Залежність опору від напрямку

пропускання

струму настільки

сильна, що

спричиняє

практично

односторонню

провідність контакту. Розглянемо причини такої залежності на прикладі бар’єра Шотткі.

У стані

рівноваги потік електронів

приТ = 0 К за

відсутності

зовнішнього

електричного поля основні носії з боку напівпровідника не здатні переходити через

площину його контакту з металом внаслідок наявності потенціального бар’єруψs0, що

є

блокує такий рух, а неосновні носії, для яких поле області просторого

заряду

прикорюючим, відсутні. Електрони

 

з

 

 

боку

 

металу

також

 

нездатні

перейти

напівпровідник, оскільки для цього їм потрібно здолати бар’єр висотою χ01 χс 2 > ψs0 (рис.

 

7.4.б). При T > 0 К у обох кристалах енергія електронів зростає , крім того у

 

напівпровіднику з’являються неосновні носії, які дифундують до площини контакту,

 

створюючи

 

дифузійний

струм.

До

нього

додається

струмтепловий, викликаний

 

можливістю електронів долати блокуючий бар’єр внаслідок наявного запасу кінетичної

 

енергії.

Проте

за

 

відсутності

зовнішнього

 

джерела

електричного

 

поля

стру

протилежних напрямків завжди однакові по величині, отже і у

цьому

випадку

результуючий струм дорівнює нулю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мінімальний запас кінетичної енергії електрону напівпровідника, необхідний для

 

переходу у метал дорівнює висоті бар’єру: me*υ2/2 = ψs0. Підставляючи цю рівність у(7.8),

 

отримуємо щільність струму, що відповідає рівноважному електронному потоку

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4pem* (k

B

T )2

 

 

 

E

c

- m -y

s0

 

en

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

js

=

 

e

 

exp(-

 

 

 

 

) =

n e

,

 

 

 

 

 

(8.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h3

 

 

 

 

 

k BT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

де u

e

=

8k

B

T

/(p m* )

– середня швидкість теплового руху електронів, nn = nn0es0/(kBT) –

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

концентрація основних носіїв у приконтактній області, а nn0 = 2(

 

me*k BT

)

3/ 2

exp(-

Ed

- m

)

 

 

2p h2

 

kBT

 

– їх рівноважна концентрація у напівпровіднику n-типу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Увімкнемо контакт метал – напівпровідник у електричне коло, підключивши метал

 

до негативного, а напівпровідник – до позитивного полюсів джерела . Такий спосіб

 

підключення

 

називають зворотним,

відповідно

і

створену

напругуU

на

 

ньому–

 

зворотною;

 

з

 

міркувань,

зрозумілих

 

із

 

 

подальшого

викладення, знак

її

 

вважають

 

від’ємним. Оскільки опір контакту великий, то практично усе падіння напруги припадає

 

саме на область просторового заряду

у

якій внаслідок ефекту

поля відбуваєть

викривлення енергетичних рівнів, показане на рис. 7.3 а). При досягненні рівноваги усі

 

рівні енергетичного спектру напівпровідника опустяться вниз по

шкалі

енергій

на

величину eU, на цю ж величину зменшиться і його хімічний потенціал . Рішенням

 

рівняння Пуассона тепер є функція

 

qN d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j(z )=

(d - z)2 - eU ,

 

 

 

 

 

 

(8.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ee0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

отже поверхневий потенціал набуває значення ys = ys0 eU, більшого, ніж за відсутності зовнішнього поля (U < 0). Збільшення висоти блокуючого бар’єру природно зменшує проникність контакту – тепер щільність струму експоненціально зменшується при зростанні величини зворотної напруги, оскільки формула (8.1) набуває вигляду

j = js exp(

eU

) ,

(8.3)

 

 

k BT

 

де js щільність струму, що відповідає рівноважним електронним потокам за відсутності зовнішнього поля; до того ж зростає ширина області збіднення:

d = 2ee0 (y s0 - eU ) .

(8.4)

e2nn0

 

Зміна висоти потенціального бар’єру під дією зовнішнього поля порушує рівновагу між струмами протилежних напрямків через контакт – його щільність з боку напівпровідника зменшується, тоді як струм з боку металу залишається незмінним– його величина визначається різницею робіт виходу χ01 χс 2 і не залежить від U.

Результуючий струм через контакт характеризується щільністю

j = js (exp(

eU

) -1)

(8.5)

 

 

k BT

 

величина якої при збільшенні зворотної напруги зростає, асимптотично наближаючись до значення js (ділянка ОА рис. 8.1). Від’ємні значення j, що одержуються з (8.5) при U < 0 свідчать про те, що струм протікає від напівпровідника до металу.

При увімкненні зовнішнього поля протилежного напрямку (його називають прямим) динаміка змін енергетичних рівнів змінюється на протилежну– висота потенціального бар’єру зменшується на величину eU, зменшується ширина області збіднення, струм через контакт зростає і тим сильніше, чим більша напруга від зовнішнього джерела. Формули (8.4) і (8.5) використовуються також і у випадку прямого увімкнення контакту (до тих пір, поки eU < ys0), тільки, на відміну від зворотного , тут падіння напруги U вважають додатним. Струм при прямому увімкненні контакту протікає від металу до напівпровідника (j > 0) експоненціально зростаючи при збільшенні напруги(ділянка ОВ на рис. 8.1).

Залежність сили струму через елемент електричного кола

 

називається його вольт-амперною

характеристикою.

Графік

 

 

такої залежності для бар’єра Шотткі показаний схематично на

 

рис. 8.1.

З

його

 

вигляду

видно, що

вольт-амперна

 

характеристика

бар’єра

Шотткі

має

яскраво

виражений

 

несиметричний вигляд. У області прямих зміщень (U > 0) струм

 

 

стрімко зростає

при

збільшенні

поданої на контакт напруги,

 

тоді як у області зворотних зміщень– малий і практично не

 

залежить від напруги. Отже, контакт напівпровідника з металом

 

 

здатний

випрямляти

змінний

струм– пропускати

його

в

 

прямому

напрямку і

не

пропускати

у зворотному. На його

Рис. 8.1.

Вольт-амперна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

характеристика бар’єра

основі створюються електронні пристрої для випрямлення

 

змінного струму – діоди Шотткі.

 

 

 

 

Шотткі

 

Основною характеристикою випрямляючого контакту єкоефіцієнт

випрямлення

відношення сили струму, що протікає у прямому напрямку до його значення у зворотному при однакових величинах прямої і зворотної різниці потенціалів. Для діодів Шотткі ця величина сягає значень від десятків до сотень тисяч.

Зауважимо, що при виводі співвідношень, що стосуються струмів через бар’єр Шотткі ми не розглядали дифузійних струмів, пов’язаних з появою неосновних носіїв. Їх впливом можна знехтувати, якщо вибирати температурні режими роботи діода Шотткі

далекими від температури появи властивої провідності. У цьому випадку як при прямому,

 

так і при зворотному зміщенні струми у діодах Шотткі будуть обумовлені виключно

 

основними носіями – електронами. З

цієї

причини

у них

практично

будуть відсутні

рекомбінаційні

і дифузійні процеси, що

забезпечить

практичну

безінерційність

перемикання і високий рівень швидкодії.

 

 

 

 

 

Особливості

випрямляючих

властивостей

напівпровідникових

діодів

будуть

розглянуті детальніше у наступному розділі.

 

 

 

 

 

8.2. Ефекти Зеєбека і Пельт’є

Одним із термоелектричних явищ, що реалізується у областіі контакту кристалів різного типу є термоелектричний ефект або ефект Зеєбека – явище виникнення термо- е.р.с. між контактами, що знаходяться при різних температурах.

Контактна різниця потенціалів не може привести до появи струму у замкнутому колі, якщо усі його елементи знаходяться при однаковій температурі . Дійсно, нехай створені послідовні контакти двох різних матеріалів, які утворюють електричне коло, до складу якого входить вольтметр з великим внутрішнім опором (рис. 8.2). Будемо вважати

позитивними е.р..с, які приводять до виникнення струму у колі за напрямко годинникової стрілки і позначимо термодинамічні роботи виходу з цих матеріалів через χ01 і χ02. Тоді сумарна різниця поверхневих потенціалів у колі

 

 

Dy s = (c02 - c01) + (c01 - c02 ) = 0 .

(8.6)

 

Зауважимо, що цей очевидний висновок

справедливий за

 

умови рівності температур контактів . Якщо

ж T1 T2, то

 

вирази у дужках (8.6) не будуть взаємно знищувані, оскільки

 

значення хімічних потенціалів, а тому іχ0, залежать від

 

температури. Отже, за умови різниці температур контактів у

 

колі з’явиться термо-е.р.с.

 

 

Рис. 8.2. Термоелемент

Виникнення термо-е.р.с. обумовлене трьома причинами:

1) вказаною залежністю контактної різниці потенціалів

 

від температури (контактна складова

термо-е.р.с.); 2) переважною

дифузією

носіїв

струму від гарячої грані кристалу

до холодн(обї’ємна складова термо-е.р..с)

та 3)

захопленням електронів фононами, які переміщуються від гарячої грані кристалу до холодної і, взаємодіючи з електронами, викликають їх дрейф у тому ж напрямку (фононна

складова термо-е.р..с).

Величина ж термо-е.р..с визначається різницею

температур

контактів

 

 

 

 

 

 

UTE = (a1 -a2 )(T2 - T1 ) ,

(8.7)

де α1 і α2 – диференціальні термо-е.р.с. контактуючих кристалів.

 

На основі

явища

Зеєбека

працюютьтермоелектричні елементи – пристрої для

безпосереднього

перетворення

теплової енергії в електричну. Оскільки

згідно (8.7)

різниця потенціалів на контактах пропорційна різниці їх температур, то схему, показану на рис. 8.1, можна використовувати для створення електронних пристроїв вимірювання температури; їх називають термопарами.

Ефектом Пельт’є називають виділення або поглинання(залежно від напрямку струму) теплоти понад джоулеве тепло у контакті різнорідних провідників за умови проходження через нього постійного струму. Явище Пельт’є обумовлене тим, що у різнорідних кристалах, середні значення енергій теплового руху вільних носіїв заряду різні. Нехай енергія носіїв у кристалі 1 (рис. 8.2) більша, ніж у кристалі 2, а струм протікає так, що носії проходять через контакт у напрямку 1 → 2. Носії, що потрапили до кристалу 2 з кристалу 1, є у ньому нерівноважними, оскільки мають надлишок енергії понад її середнє значення у носіїв кристалу2. Тому, взаємодіючи з коливаннями ґратки цього кристалу, вони віддають їй надлишок енергії, викликаючи його нагрівання. Цей процес відбувається у дуже тонкому шарі біля поверхні розділу кристалів, приводячи до нагрівання контакту. При протилежному напрямку струму, носії з кристалу 2 потрапляють у кристал 1, де їх енергія менша рівноважного значення у цьому кристалі. Взаємодіючи з коливаннями ґратки, вони збільшують свою енергію, контакт при цьому охолоджується.

На відміну від явища Зеєбека, при проходженні термоструму у колі термоелемента на гарячому контакті теплота Пельт’є поглинається, а у холодному– виділяється. Тому

для підтримки постійного термоструму необхідно до гарячого контакту безперервно підводити тепло, а від холодного– відводити. Ефект Пельт’є використовується для

створення економічного, високоефективного холодильного устаткування та засобів кондиціонування на основі контактів з напівпровідникових кристалів.

8.3. Фотоелектричні явища і люмінесценція у бар’єрних структурах

При створенні систем автоматичного регулювання і керування технологічними процесами, у системах навігації літальних апаратів, запису і відтворення інформації, у

військовій

і

техніці -, кінофотота

літографії

широко

використовуються

напівпровідникові

фотореєструючі пристрої–

фотоприймачі, принцип дії яких

ґрунтується на фотоелектричних явищах у бар’єрах Шотткі, p-n-переході та гетероструктурах. Роль бар’єрних структур полягає у просторовому розділенні нерівноважних електронів і дірок потенціальним бар’єром.

Освітлення p-n-переходу на частоті > Eg викликає генерацію електрон-діркових пар. Подальша поведінка нерівноважних носіїв залежить від того, у якій області бар’єру вони виникають. Якщо світло поглинається у напівпровідникуp-типу, то електрони, які знаходяться на відстані від p – n-переходу меншій середньої довжини вільного пробігу до їх рекомбінації з дірками, встигнуть досягти його, попадуть у область дії дифузійного поля (рис. 7.6 б) і перекинуться ним у напівпровідник n-типу. Якщо світло поглинається у

напівпровіднику n-типу,

то аналогічно черезp

n-перехід дифузійним

полем

перекидаються дірки. Основні нерівноважні носії у обох випадках ним затримуються.

Якщо електрон-діркові пари утворюються у області просторового

,зарядуто

дифузійне поле виштовхує їх у той напівпровідник, де вони є основними. Отже p – n-

перехід виконує роль стоку неосновних носіїв заряду з обох боків бар’єру.

 

Внаслідок просторового розділення нерівноважних носіїв заряду

відбувається

зростання концентрації

вільних електронів

у

напівпровідникуn-типу і

дірок–

напівпровіднику p-типу. Відповідно до (7.30) це приведе до зменшення ширини області просторового заряду, а отже й контактної різниці потенціалів на деяку величину , що називається фото-е.р.с.

Виникнення фото-е.р.с є основою функціонування сонячних батарей – пристроїв для безпосереднього перетворення енергії електромагнітного випромінювання у електричну. Якщо на p-n-перехід подано напругу у зворотному напрямку, то освітленням його можна досягти умов пропускання струму через контакт, електропровідність якого залежить від інтенсивності освітлення. Пристрої, що працюють на цьому принципі(фотодіоди), використовуються у якості фоторезисторів або реєструючих пристроїв – фотоприймачів.

Для створення фотоприймачів і фотоперетворювачів використовують також бар’єри

Шотткі і гетеропереходи, що забезпечують малу інерційність

фотодіодів, а останні –

ефективніше перетворення світлової енергії у сонячних батареях.

 

 

Пропускання струму

через p

n-перехід

викликає вимушене випромінювання–

електролюмінісценцію. Відомі

два

види

електролюмінесценції: інжекційна

та

передпробійна.

 

 

 

 

 

 

Спрощено механізм

інжекційної

електролюмінесценції

можна пояснити

:так

прикладена до p-n-переходу різниця потенціалів у прямому напрямку викликає перехід (інжекцію) основних носіїв заряду через бар’єр. Частина їх релаксує, а решта

– рекомбінують з основними носіями (безпосередньо або через домішкові центри), як і у випадку фотолюмінесценції. При цьому надлишок енергії вільних носіїв випромінюється у вигляді фотонів – область p – n-переходу світиться.

Найбільш поширеними матеріалами, в яких реалізується інжекційна електролюмінесценція, є арсенід і фосфід галію, карбід кремнію та тверді розчини арсеніду та фосфіду галію, ширина забороненої зони яких. Цей вид люмінесценції використовується для виготовлення напівпровідникових джерел світла– світлодіодів та

інжекційних лазерів.

Відмінність між випромінюванням світло діода і лазера полягає у тому , що у світлодіоді швидкість утворення нерівноважних електрон-діркових пар мала і тому

рекомбінаційні процеси з випромінюванням мають спонтанний(невпорядкований)

характер, внаслідок

чого одержується некогерентне випромінювання. У випадку

інжекційного лазера

навпаки– випромінювання когерентне за рахунок високої

швидкості вимушених рекомбінаційних переходів.

Висока швидкість рекомбінації одержується за рахунок створеінняверсної

заселеності

станів

люмінофора. Стан

з

інверсною

заселеністю

відрізняється від

рівноважного

тим,

що зона провідності

напівпровідника у цьому стані заселена

електронами

більше, ніж валентна

зона

поблизу

її .верхаЯкщо

таку систему

опромінювати електромагнітною хвилею з частотою, яка забезпечує між зонні переходи, будуть спостерігатися вимушені переходи як з поглинанням, так і з випромінюванням світла. Однак внаслідок інверсної заселеності кількість переходів з випромінюванням буде значно переважати кількість переходів з поглинанням – буде мати місце підсилення випромінювання (лазерний ефект).

Для достатньо інтенсивної інжекції

черезp –

n-перехід використовують

напівпровідники з високими концентраціями

домішок

відповідного(донорного або

акцепторного) типу. Інверсія заселеності досягається при великій густині струму у прямому напрямку.

Інжекційні лазери

на

гетеропероході являють собою двосторонню-

гетер

структуру, активний шар якої (GaAs) розміщений між двома гетеропереходами, один з

яких (p – n-типу) служить

для

інжекції електронів, а другий (p – p-типу) відбиває

 

інжектовані електрони, перешкоджаючи їх дифузному розтіканню з активного шару. За

однакових струмах накачки в активному шарі гетероструктури досягається більша концентрація електрон-діркових пар, а отже і більше підсилення, ніж у інжекційних лазерах на p – n-переходах. Другою перевагою гетероструктури є ,тещо утворений активним шаром хвилевод дозволяє поширення випромінювання вздовж структури у

межах

активного

шару, завдяки

чому

оптичне

підсилення

використовується

якнайефективніше.

 

 

 

 

 

Передпробійна електролюмінесценція відрізняється від інжекційної в основному

механізмом генерування вільних

носіїв. Якщо

до p –

n--переходу у

зворотному

напрямку прикладена велика різниця потенціалів (близька до величини електричного пробою), то неосновні носії заряду, які завжди існують у малих кількостях по обидва боки переходу внаслідок теплових флуктуацій, прискорюються так, що при зіткненні з атомами кристалу іонізують їх (ударна іонізація). У результаті цього по обидва боки

p – n-переходу з’являються нерівноважні носії.

Рухаючись під дією

зовнішнього

поля, вони частково релаксують(при цьому

кристал нагрівається),

а решта –

рекомбінують з носіями протилежного знаку(безпосередньо або через домішкові центри), як і у випадку фотолюмінесценції. При цьому надлишок енергії нерівноважних носіїв випромінюється у вигляді фотонів – кристал світиться.

Найбільшого технічного застосування набула передпробійна електролюмінесценція

широкозонних напівпровідників, таких як сульфід цинку,

у змінних

електричних полях

(ефект

Дестріо). Люмінесценція ZnS у

видимій

області

спектра

пояснюється

рекомбінаційними переходами між домішковими центрами. Активаторами

є

атоми

домішки міді, енергетичні рівні яких розташовані над верхом валентної зони так ,

що

енергія квантів випромінювання становить 2,4 – 2,7 еВ, що відповідає зеленій – блакитній ділянці спектра. Легуванням сульфіду цинку атомами марганцю отримують люмінофор жовтого світіння. На явищі передпробійної електролюмінесценції грунтується робота пристроїв оптичного відображення інформації(індикаторів) – електролюмінесцентних конденсаторів. Їх перевагою є те, що вони можуть виготовлятись довільних розмірів (великі – для колективного зчитування інформації з далеких відстаней, малі – для індивідуальних індикаторів), мають значно меншу енергоємність і більшу швидкість зміни сигналу, ніж у катодолюмінесцентних пристроїв, а також дають можливість одержання практично усієї гами кольорів.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ ЗАСВОЄННЯ НАВЧАЛЬНОГО МАТЕРІАЛУ

1.Якими властивостями володіє бар’єр Шотткі? Де вони використовуються?

2.Опишіть суть термоелектричних явищ, що реалізуються в області контакту різних кристалів. Де вони використовуються?

3.Опишіть суть фотоелектричних явищ, що реалізуються в бар’єрних струкутрах. Де вони використовуються?

4.Назвіть типи люмінесценції твердих тіл та опишіть механізми їх реалізації. Де використовуються це явище?

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке FTT-stud