18. Неравновесные носители заряда

Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних воздействий, в результате которых концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться. Такими внешними воздействиями могут быть облучение светом, ионизирующее облучение, воздействие сильного электрического поля и ряд других. В результате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носителей заряда, образующихся вследствие ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда, которые называют неравновесными, или избыточными. В результате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носителей заряда, образующихся вследствие ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда, которые называют неравновесными, или избыточными.

19. Движение электрона во внешнем электрическом поле можно показать на картине зон. Погоризонтальной оси отложим координату x электрона, а по вер тикали – значение энергии электрона E при движении его в периодическом поле частиц кристалла. Энергетические уровни изобразим горизонтальными линиями.

Эффект Ганна: Сущность его заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник постоянного электрического поля высокой напряжённости.

В

первые эффект Ганна наблюдался в образцах из арсенида галлия GaAs и фосфида индия InP с электропроводностью n - типа. Пороговая напряжённость поля для GaAs составляет 0,3 МВ/м, а для InP - около 0,6 МВ/м. Для объяснения эффекта Ганна необходимо учесть сложное строение зоны проводимости полупроводников, которое не отражают простейшие энергетические диаграммы. Напомним:

21. Работа выхода

Работа выхода определяется как минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из объема твердого тела. Ее природа связана с существованием потенциального барьера вблизи поверхности металла.

В металле при T=0 К электроны заполняют все энергетические уровни вплоть до уровня Ферми. Работу, которую необходимо совершить для удаления электрона с энергией, соответствующей уровню Ферми, на такое расстояние от тела, где можно пренебречь его (тела) воздействием на электрон, называют термодинамической работой выхода (или просто работой выхода). При T > 0 в металле появляются электроны на уровнях, выше уровня Ферми, но и в этом случае работу выхода отсчитывают от уровня Ферми Эф.

Рис. 4.3. Контакт "металл-металл": а - два металла до контакта; б - два металла на расстоянии, намного большем межатомного расстояния; в - два металла на межатомном расстоянии.

22. Контакт металл-полупроводник. Рассмотрим условие возникновения барьера Шоттки. При соприкосновении металла с работой

в

ыхода Фm и полупроводника n-типа с работой выхода Фn (рис. 4.4) вследствие условия Φ >mΦ вnозникает преимущественный переход электронов из полупроводника в металл. Металл начинает заряжаться отрицательно, и его уровень Ферми за счет притока электронов будет несколько повышаться. Наоборот, полупроводник будет заряжаться положительно, и вследствие ухода электронов его уровень Ферми будет опускаться. Этот процесс будет происходить до выравнивания уровней Ферми в металле и полупро-59 воднике, что сопровождается возникновением потенциального барьера для электронов, выходящих из полупроводника:

Рис. 4.4. Энергетическая диаграмма металла и полупроводника n-типа до (а) и после контакта (б) для случая

В этом случае условия выхода электронов из металла и полупроводника становятся одинаковыми, так как для выхода из полупроводника надо затрачиать дополнительную работу . В этом случае суммарный ток через переход будет равен нулю, поскольку встречные потоки электронов через переход равны по величине.

В

отличие от контакта двух металлов ширина l переходного слоя в полупроводнике, обеднённого электронами, значительно выше ( м в металле, м в полупроводнике и до нескольких сантиметров в диэлектрике).

Рис. 4.6. Выпрямление на контакте Шоттки: а - контакт при отсутствии внешнего напряжения; б - внешнее напряжение приложено в прямом направлении; в - внешнее напряжение приложено в обратном направлении При приложении положительного полюса к металлу, а отрицательного – к полупроводнику энергетические уровни полупроводника будут смещаться 61 вверх (рис. 4.6а, 4.6б). Величина потенциального барьера для электронов из полупроводника будет уменьшаться до значения

Это означает, что при U > 0 высота потенциального барьера для электронов, переходящих из металла в полупроводник, не изменится, тогда как для электронов, движущихся во встречном направлении, потенциальный барьер уменьшится на qU.

Омический контакт Омический контакт обычно представляют в виде трехслойной структуры типа m–n+–n, где m – металл, n+ – слой полупроводника с концентрацией электронов, значительно превышающей концентрацию в области n.

24.  Электронно‐дырочный переход :Контакт двух примесных полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным переходом или сокращенно p-n переходом.

где n0, p0 - концентрации собственных носителей, n, p - концентрации примесных носителей.

Потенциальный барьер — область пространства, разделяющая две другие области с различными или одинаковыми потенциальными энергиями. Характеризуется «высотой» — минимальной энергией  классической частицы, необходимой для преодоления барьера.

25. При приложении внешнего напряжения в обратном направлении к р-n-переходу происходит уменьшение концентрации неосновных носителей по отношению к их равновесной концентрации (рис. 4.11в). Этот эффект носит на-звание экстракции неосновных носителей. В этом случае

Рис. 4.11. Распределение основных и неосновных носителей в области p-n перехода: а - в равновесном состоянии; б - при приложении внешнего напряжения в прямом направлении; в - при приложении внешнего напряжения в обратном направлении.

При приложении внешнего напряжения в обратном направлении к р-n переходу происходит уменьшение концентрации неосновных носителей по отношению к их равновесной концентрации (рис. 4.11в). Этот эффект носит название экстракции неосновных носителей. В этом случае

В

ольт-амперную характеристику р-n (ВАХ)-перехода (рис. 4.12) можно построить с помощью выражения для суммарного тока, протекающего через переход при прямом и обратном приложенных напряжениях

где j0 - тепловой ток, который зависит от температуры:

Рис. 4.12. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода