Моделирование p-n перехода.

Для моделирования и расчета цепей нужно аналитическое описание прибора. Электрическая эквивалентная схема, состоящая из простых элементов: резисторы, емкости, индуктивности, идеализированные диоды.

R_обр – сопротивление, учитывающее токи генерации и утечки.

Бывают и более сложные модели. Учет модуляции сопротивления базы, ток рекомбинации, пробой, частотная зависимость дифф. емкости.

Импульсные свойства перехода.

Установление прямого напряжения.

Картинки при малом токе, когда можно пренебречь падением напряжения на сопротивлении базы, и при большом токе с эффектом модуляции базы.

Восстановление обратного сопротивления.

Скачок тока

Две стадии: высокой обратной проводимости и восстановления обратного сопротивления.

Оптические свойства полупроводников. Действие света на p-n переход.

Поглощение света веществом характеризуется коэффициентом поглощения . Он определяет долю поглощенной энергии в слое единичной толщины.

Обратная величина называется длиной пробега излучения.

Зависимость  называется спектром поглощения.

В полупроводниках существуют 5 механизмов поглощения света:

собственное, примесное, экситонное, свободными электронами и решеточное.

Картинка и пояснения.

Особенности собственного поглощения прямозонными и непрямозонными полупроводниками.

1. Фотоэффект.

Внутренним фотоэффектом называется процесс перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов полупроводником или металлом во внешнее пространство.

Дополнительная проводимость полупроводника, возникшая вследствие увеличения концентрации носителей заряда при фотоэффекте, называется фотопроводимостью.

Скорость изменения концентрации носителей вследствие фотоэффекта называется фототоком.

Отношение числа возникших носителей к числу поглощенных фотонов называется квантовой эффективностью.

Красная граница фотоэффекта (и фотопоглощения)

Люминесценция.

Люминесценция – это излучение света с интенсивностью превосходящей тепловое излучение при данной температуре тела.

Механизм излучения света при люминесценции. Коэффициент Эйнштейна А₂₁.

Отличие люминесценции от теплового излучения.

Виды люминесценции. (Катодо, хемо, радио, требо, электро).

Рекомбинационная люминесценция обусловлена фундаментальными и примесными переходами с участием дырок. Тушение – дислокации, неоднородности глубокие центры, Оже.

Эффективность люминесценции

W_рек – вероятность безизлучательного перехода.

Действие света на переход. Фотовольтаический и фотогальванический эффекты. Излучение перехода

В основе принципа действия полупроводниковых излучающих приборов лежит явление электролюминесценции, связанное с самопроизвольной излучательной рекомбинацией носителей заряда, инжектируемых через электронно-дырочный переход. Впервые явление люминесценции полупроводника наблюдал в 1907 году английский инженер Х.Д. Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони. Он случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. Независимо от него в 1922 году свечение контакта обнаружил О.В.Лосев, работавший в Ленинградском физико-техническом институте и Нижегородской радиотехнической лаборатории. Лосев писал: “У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при токе через контакт всего 0.4 мА… Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света” [1]. (В то время Лосеву О.В. было всего 18 лет. В дальнейшем он получил на свое открытие 4 патента).

Энергетическая диаграмма процесса излучательной рекомбинации в p – n переходе показана на рис.1. Слева на рисунке (1а) представлена диаграмма перехода в состоянии равновесия. При приложении к переходу прямого напряжения и уменьшении контактного скачка потенциала (рис. 1б) электроны и дырки начинают проникать соответственно в области с акцепторной (р) и донорной (n) проводимостью и обедненный слой. Здесь инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою энергию либо квантам света h (излучательная рекомбинация), либо, через дефекты и примеси, – тепловым колебаниям решетки (безызлучательная рекомбинация).

Рис1. Энергетические диаграммы светодиода. а – состояние равновесия, б – инжекция носителей заряда и излучательная рекомбинация при прямом включении перехода светодиода.

Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупро­водника значительный вклад в процесс вносит ток рекомбинации, особенно при малых пря­мых напряжениях, т.е. процесс рекомбинации и генерации света реализуется в основном в обедненной области p–n перехода и отчасти в прилегающих областях на расстояниях равных диффузионной длине пробега частицы.

В светодиодах основную роль играет межзонная излучательная рекомбинация (при переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону, минуя примесные уровни), поэтому для того, чтобы светодиод излучал видимый свет, необходимая ширина запрещенной зоны полупроводников должна быть 1,8эВ < E₃ = hv < 3,2эВ. На рис.2 показаны значения ширины запрещенной зоны различных полупроводников. Слева на рисунке представлен спектр, по которому можно приблизительно представить, в какой области будет излучать тот, или иной полупроводник.

Рис 2. Ширина запрещенной зоны (Е_з) и длина химической связи различных полупроводников