Детальная информация

Название: Физические основы электроники: учебное пособие
Авторы: Гнучев Николай Михайлович
Организация: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Выходные сведения: Санкт-Петербург, 2021
Коллекция: Учебная и учебно-методическая литература; Общая коллекция
Тематика: Электроника; Полупроводники — Физика
УДК: 537.311.322:621.38(075.8)
Тип документа: Учебное издание
Тип файла: PDF
Язык: Русский
Код специальности ФГОС: 16.03.01
Группа специальностей ФГОС: 160000 - Физико-технические науки и технологии
DOI: 10.18720/SPBPU/5/tr21-78
Права доступа: Доступ по паролю из сети Интернет (чтение, печать, копирование)

Разрешенные действия:

Действие 'Прочитать' будет доступно, если вы выполните вход в систему или будете работать с сайтом на компьютере в другой сети Действие 'Загрузить' будет доступно, если вы выполните вход в систему или будете работать с сайтом на компьютере в другой сети

Группа: Анонимные пользователи

Сеть: Интернет

Аннотация

Излагаются физические основы полупроводниковой электроники: особенности электронного строения полупроводников и их приповерхностной области, диффузия и дрейф носителей заряда, механизмы генерации и рекомбинации. Рассматриваются физические принципы и основные свойства различных полупроводниковых переходов, взаимодействие света с полупроводниками и p–n-переходами и светоизлучение. Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Техническая физика» и «Электроника и наноэлектроника".

Права на использование объекта хранения

Место доступа Группа пользователей Действие
Локальная сеть ИБК СПбПУ Все Прочитать Печать Загрузить
Интернет Авторизованные пользователи Прочитать Печать Загрузить
-> Интернет Анонимные пользователи

Оглавление

  • ВВЕДЕНИЕ
  • Пособие состоит из введения и 7 разделов. Первые четыре раздела посвящены изложению основ физики полупроводников, необходимых для понимания физических принципов работы электронных приборов. В первом разделе вводится понятие энергетических зон кристалл...
  • Во втором разделе рассматриваются особенности электропроводности собственных и примесных полупроводников; вводятся основные термины и понятия, описывающие электронные свойства полупроводников и их электронную структуру. Проведен краткий анализ причин ...
  • Третий раздел содержит сведения о различном характере движения заряженных частиц в кристалле полупроводника. Рассмотрены диффузия и дрейф подвижных носителей заряда, приведены примеры взаимосвязи этих явлений. Описаны также особенности движения электр...
  • Четвертый раздел посвящен процессам генерации и рекомбинации подвижных носителей заряда. Проведена оценка вероятности межзонной излучательной и безызлучательной рекомбинации, а также рекомбинации с участием чужеродных атомов – «ловушек». Введены понят...
  • В пятом разделе обсуждаются особенности электронного строения приповерхностной области полупроводника, а также механизмы влияния поверхностного заряда и внешнего электрического поля на тип ее проводимости и концентрацию носителей.
  • В шестом разделе всесторонне рассматриваются физические принципы и основные свойства различных полупроводниковых переходов. Материал седьмого раздела ( взаимодействие электромагнитного (светового) излучения с полупроводниками и p(n-переходами и излуче...
  • Каждый раздел сопровождается вопросами для самопроверки.
  • 1.1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ АТОМОВ
  • 2. ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
  • 2.1. СОБСТВЕННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ
  • Рис. 2.1. Образование пары «электрон-дырка»
  • в собственном полупроводнике
  • 2.2. ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ.
  • ПОЛУПРОВОДНИК N-ТИПА
  • 2.3. ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ.
  • ПОЛУПРОВОДНИК P-ТИПА
  • 2.6. РАВНОВЕСНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ В СОБСТВЕННЫХ И ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
  • 2.7. УРОВЕНЬ ФЕРМИ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДИАГРАММЕ СОБСТВЕННОГО ПОЛУПРОВОДНИКА
  • 3. ДВИЖЕНИЕ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
  • 3.1. ХАОТИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
  • где ( коэффициент диффузии, lср ( средняя длина свободного пробега частиц.
  • 3.5. ВЗАИМОСВЯЗЬ ДИФФУЗИИ И ДРЕЙФА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
  • 3.6. ДВИЖЕНИЕ НОСИТЕЛЕЙ В СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ
  • 4. ГЕНЕРАЦИЯ И РЕКОМБИНАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
  • 4.1. ТЕПЛОВАЯ ГЕНЕРАЦИЯ
  • 4.2. УДАРНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ
  • 4.3. ПОЛЕВАЯ ГЕНЕРАЦИЯ
  • 4.4. СВЕТОВАЯ ГЕНЕРАЦИЯ
  • 4.5. РЕКОМБИНАЦИЯ ПОДВИЖНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА. МЕХАНИЗМЫ РЕКОМБИНАЦИИ
  • 4.6. ДИФФУЗИОННАЯ ДЛИНА НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ В ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
  • Здесь Dn ( коэффициент диффузии электронов в полупроводнике p-типа, х ( координата вглубь кристалла, τn ( время жизни неосновных носителей в полупроводнике p-типа. Решая данное уравнение при указанных выше граничных условиях, получаем:
  • ;
  • и
  • . (4.4)
  • . (4.6)
  • Здесь g ( скорость генерации, r ( скорость рекомбинации, т. е. число неравновесных неосновных носителей, возникающих при генерации и исчезающих при рекомбинации за 1 секунду в единице объема (см( 3(с( 1).
  • Скорость рекомбинации можно представить в виде:
  • , (4.7)
  • Если в некоторый момент времени внешнее воздействие на полупроводник прекратится, то скорость генерации электронно-дырочных пар станет равной нулю (g = 0), и уравнение (4.6) примет вид:
  • . (4.8)
  • Решив это уравнение с учетом начального условия (при t = 0 Δnp = Δnp(0)), получим:
  • . (4.9)
  • Видно, что по прошествии промежутка времени τn концентрация избыточных неосновных носителей уменьшается за счет рекомбинации в е раз. Таким образом, время жизни неосновных носителей является одним из важнейших параметров, определяющих скорость убывани...
  • Вопросы к разделу 5
  • 6. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
  • В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
  • При идеальном контакте двух проводящих тел на границе возникают переходные слои различной природы. Контактные явления в полупроводниках определяют принцип действия всех активных элементов полупроводниковой электроники: диодов, полевых и биполярных тра...
  • 1) контакты между полупроводниками одной природы с разными или одинаковыми типами примесных атомов (p(n- переходы, переходы n(n+, p(p+);
  • 2) контакты между полупроводниками различной природы (гетеропереходы),
  • 3) контакты металл-полупроводник n- или p-типа;
  • 4) контакты металл-диэлектрик-полупроводник.
  • В полупроводниковой электронике эти контакты часто называют электрическими переходами, так как при установлении равновесного состояния на границе раздела веществ возникает электрическое поле. Это поле определяет принцип действия конкретных полупроводн...
  • 6.1. ИДЕАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД (P(N-ПЕРЕХОД)
  • 6.1.1. P(n-переход в равновесном состоянии
  • В этом разделе рассматривается идеализированный p(n-переход, для которого действуют следующие ограничения:
  • Для нахождения контактного электрического поля (к необходимо решить уравнение Пуассона для конкретного характера распределения заряда и данных граничных условий. Будем считать, что в пределах перехода имеются постоянные концентрации ионов примесей: + ...
  • 6.1.2. Прямое включение p(n-перехода
  • Рис. 6.4. Энергетическая диаграмма p(n-перехода,
  • смещенного в прямом направлении. Стрелками показаны направления диффузионного движения электронов и дырок
  • 6.1.3. Обратное включение p(n-перехода
  • На рис. 6.8 показаны процессы переноса электронов и дырок через переход. В равновесии диффузионные токи основных носителей JnD и JpD уравновешены дрейфовыми токами неосновных носителей JnЕ и JpЕ, и суммарный ток через переход равен нулю. Понижение пот...
  • 6.1.4. Вольтамперная характеристика идеализированного
  • p(n-перехода
  • Рис. 6.9. Вольтамперная характеристика идеализированного p(n-перехода.
  • Ток при обратном смещении очень мал и не зависит от напряжения
  • Таким образом, обратный ток идеального перехода описывается формулой:
  • . (6.38)
  • Вольтамперная характеристика p(n-перехода зависит от его температуры и материала, из которого он изготовлен (см. рис. 6.10). Видно, что обратный ток переходов резко возрастает с увеличением температуры, и его величина при данном обратном напряжении дл...
  • Рис. 6.10. Зависимость вольтамперных характеристик германиевого (а) и кремниевого (б) диодов от температуры
  • Физическую причину этих зависимостей можно выяснить, преобразовав выражение (6.38) с использованием соотношения (2.18):
  • .
  • Подставив эти величины в (6.38), и учитывая, что собственная концентрация подвижных носителей ni зависит от температуры и ширины запрещенной зоны полупроводника (2.13), получим:
  • . (6.39)
  • В полученной формуле (6.39) явным образом прослеживается зависимость обратного тока идеального перехода и от температуры, и от разновидности полупроводникового материала. Наблюдается экспоненциальный рост обратного тока с увеличением температуры и так...
  • При рассмотрении этих же зависимостей для тока при прямом включении перехода можно впасть в ошибку при использовании формулы (6.36): из нее на первый взгляд следует, что прямой ток должен уменьшаться с ростом температуры, что не соответствует реальном...
  • С учетом этого факта зависимость прямого тока перехода от температуры имеет вид:
  • . (6.40)
  • Так как величины прямых напряжений таковы, что eU всегда меньше ширины запрещенной зоны ΔЕз, то показатель экспоненты в формуле (6.40) отрицателен, и прямой ток увеличивается с ростом температуры. Физической причиной этого является прирост концентраци...
  • Отсюда получаем зависимость величины потенциального барьера от температуры:
  • , (6.41)
  • при этом необходимо иметь в виду, что при увеличении температуры происходит также и небольшое уменьшение ширины запрещенной зоны полупроводника. Таким образом, потенциальный барьер для диффузии основных носителей уменьшается с ростом температуры, что ...
  • При использовании полупроводников с более широкой запрещенной зоной потенциальный барьер перехода eφк возрастает. Это приводит к уменьшению прямого тока при данном прямом напряжении. В результате вольтамперная характеристика перехода на основе полупро...
  • 6.2. КОНТАКТ МЕЖДУ ПОЛУПРОВОДНИКАМИ ОДИНАКОВОГО ТИПА ПРОВОДИМОСТИ С РАЗНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПРИМЕСИ
  • Для контактов такого типа используют обозначения p+(p и n+(n. Знак «+» относится к полупроводнику с более высокой концентрацией примеси. На рис. 6.11 приведены энергетические диаграммы таких полупроводников и диаграммы соответствующих контактов.
  • При контакте между полупроводниками одинакового типа проводимости приграничный слой, обедненный подвижными носителями заряда, образуется только у границ областей n+ и p+, а граничный слой областей n и p обогащается основными носителями заряда.
  • Рис. 6.11. Энергетические диаграммы полупроводниковых контактов
  • одного типа проводимости: а, в ( полупроводники до установления
  • контакта, б, г ( контакты n+(n и p+(p соответственно
  • Высота потенциального барьера в этом случае рассчитывается в той же последовательности, что и для обычного p(n-перехода с заменой соответствующих концентраций подвижных носителей в смежных областях на nn+ и nn или pp+ и pp (см. формулы (6.2) – (6.7))...
  • Такие переходы не обладают выпрямляющим эффектом: при смене полярности подключения ток меняет направление, но порядок его величины остается прежним. Кроме того, в них не наблюдается инжекция неосновных носителей заряда. Например, при подаче напряжения...
  • 6.3. РЕАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
  • Реальные p(n-переходы, как правило, несимметричные, и в подавляющем большинстве случаев их можно считать односторонними. Полупроводник с большей концентрацией примеси, и соответственно, с более высокой концентрацией основных носителей называется эмитт...
  • При рассмотрении физических процессов в реальном p(n-переходе необходимо учитывать все факторы, которые остались «за бортом» при анализе идеализированного перехода, а именно:
  •  процессы генерации электронно-дырочных пар и их рекомбинации в пределах ширины перехода;
  •  падение напряжения на p- и n-областях при протекании прямого тока;
  •  поверхностные явления, в частности, токи утечки при больших обратных напряжениях.
  • 6.3.1. Обратное смещение. Токи генерации и утечки
  • Тепловая генерация электронно-дырочных пар происходит не только в р- и n-областях, но и в самом p(n-переходе. Образовавшиеся электроны и дырки разделяются электрическим полем перехода и перебрасываются в области, где они становятся основными носителям...
  • Следовательно, ток генерации определяется полным числом носителей, образовавшихся в p(n-переходе в единицу времени. Число подвижных носителей, возникающих в единице объема в единицу времени, т. е. скорость генерации ( это отношение ni/τ, где τ ( время...
  • . (6.42)
  • 6.3.2. Прямое смещение. Ток рекомбинации и
  • влияние сопротивления базы
  • 6.5. ПРОБОЙ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА
  • При идеальном контакте полупроводников с различной шириной запрещенной зоны ΔЕз происходит установление равновесного состояния с единым уровнем Ферми. Физические процессы, протекающие при этом те же, что и для случая обычного p(n-перехода. Однако из-з...
  • Рис. 6.32. Выпрямляющий анизотипный p-n гетеропереход.
  • Линия 1 – уровень вакуума. а) взаимное расположение энергетических зон до образования контакта, б) равновесная энергетическая диаграмма
  • Появление разрывов границ зон приводит к тому, что потенциальные барьеры для диффузии основных носителей в смежные области оказываются не одинаковыми. Для гетероперехода, у которого ширина запрещенной зоны n-полупроводника больше, чем у p-полупроводни...
  • Таким образом, в отличие от обычного p(n-перехода, гетеропереход всегда обладает важным свойством: односторонней инжекцией из широкозонного полупроводника в узкозонный, практически не зависящей от уровня легирования p- и n-областей. Именно это свойств...
  • Вольтамперная характеристика идеального гетероперехода описывается той же формулой (6.35), что и для обычного p(n-перехода. В реальных гетеропереходах вблизи границы раздела сосредоточены дефекты решетки различной природы, которые являются центрами ге...
  • Изотипные гетеропереходы в отличие от таких переходов между полупроводниками одной природы (см. раздел 6.2) могут быть как «омическими», так и выпрямляющими.
  • Рис. 6.33. Энергетическая диаграмма выпрямляющего изотипного n- n+ гетероперехода
  • Рис. 6.33. Энергетическая диаграмма выпрямляющего изотипного n- n+ гетероперехода
  • На энергетической диаграмме равновесного n-n+ Ge-GaAs выпрямляющего гетероперехода (рис….) видно, что на границе между полупроводниками образуется точно такой же энергетический пичок, как и у p-n гетероперехода (рис. 6.32). Однако двойной электрически...
  • Прямое смещение такого перехода понижает потенциальный барьер для электронов зоны проводимости широкозонного n+-полупроводника; он уменьшается до величины eφn+-n(eUпр. Прямой ток обусловлен интенсивным переносом электронов проводимости n+-полупроводни...
  • При обратном смещении этот потенциальный барьер возрастает до значения eφn+-n+eUобр, и ток электронов в n-полупроводник прекращается. На пути встречного (обратного) тока электронов проводимости n-области в n+-полупроводник находится потенциальный бар...
  • При дальнейшем увеличении Uобр ширина энергетического пичка, разделяющего зоны проводимости, становится все меньше. Обратное напряжение величиной в несколько Вольт оказывается достаточным для того, чтобы электроны зоны проводимости n-полу-проводника, ...
  • Главным преимуществом выпрямляющих изотипных переходов по сравнению с анизотипными является малая инерционность, что позволяет использовать их в качестве детекторов и смесителей в области сверхвысоких частот. Это объясняется тем, что они «работают» на...
  • Прямая ветвь вольтамперной характеристики выпрямляющих гетеропереходов практически такая же, как и у обычных однородных p–n-переходов. Рабочие обратные напряжения оказываются небольшими (меньше 10 В) из-за возникновения туннельных токов, что можно счи...
  • Невыпрямляющие («омические») гетеропереходы
  • Такие переходы могут образоваться в тех случаях, когда энергетические зоны составляющих полупроводников перекрываются не полностью, как в случае выпрямляющих гетеропереходов, а лишь частично. Наибольший интерес представляет невыпрямляющий изотипный n-...
  • Рис. 6.34. Невыпрямляющий изотипный n-n+ гетеропереход.
  • а) взаимное расположение энергетических зон до образования контакта,
  • 1 – уровень вакуума, б) равновесная энергетическая диаграмма,
  • 2 – область, обогащенная электронами
  • В этом случае при образовании контакта в n+-области у границы с n-полупроводником образуется потенциальная яма (2), в пределах которой концентрация электронов значительно выше, чем в объеме. Когда n+-область положительна по отношению к n-области, поте...
  • При обратной полярности приложенного напряжения ток течет в противоположном направлении. Его величина практически такая же за счет очень большой концентрации электронов у границы раздела в области обогащения. По мере возрастания напряжения к току элек...
  • 7. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И СВЕТОИЗЛУЧЕНИЕ
  • 7.1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
  • С ПОЛУПРОВОДНИКАМИ. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ
  • Характер взаимодействия света с полупроводниками может быть различным. Он определяется свойствами материала полупроводника и длиной волны оптического излучения, т. е. энергией фотонов. В разделе 4.4 была рассмотрена генерация электронно-дырочных пар п...
  • При облучении полупроводников светом с энергией квантов, меньшей, чем ширина запрещенной зоны (как правило, в инфракрасной части спектра), генерация электронно-дырочных пар не происходит. Концентрация подвижных носителей в этом случае увеличивается то...
  • При таких же температурах работают болометры, датчики теплового излучения. Однако, физический механизм фотопроводимости в этом случае принципиально иной: кванты света поглощаются подвижными носителями заряда, например, электронами, и они занимают боле...
  • Существуют также разновидности поглощения квантов света полупроводниками, не приводящие к изменению их проводимости, например, решеточное поглощение, когда энергия света передается на возбуждение колебаний кристаллической решетки, или экситонное погло...
  • Рассмотрим более подробно физические процессы, при которых фотопроводимость возникает за счет биполярной световой генерации.
  • 7.2. ФОТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ. ФОТОРЕЗИСТОР
  • Фоторезистивным эффектом называется изменение сопротивления полупроводника под действием света. В отсутствие освещения полупроводник обладает темновой проводимостью, обусловленной равновесными концентрациями подвижных носителей:
  • . (7.1)
  • При облучении полупроводника светом с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны, появляются неравновесные электронно-дырочные пары. Концентрация подвижных носителей изменяется до величин n0 + Δn и p0 + Δp, при этом проводимость полупроводн...
  • . (7.2)
  • Таким образом, фотопроводимость равна:
  • . (7.3)
  • Увеличение концентрации подвижных носителей при облучении светом вызывает уменьшение электрического сопротивления и, соответственно, рост тока через полупроводник. На основе этого явления изготовляются простейшие фотоэлектрические приемники ( фоторези...
  • Чувствительным элементом фоторезистора является кристаллическая пластинка полупроводника или полупроводниковая пленка на изолирующей подложке. Во внешнюю цепь элемент подключается через омические контакты.
  • В качестве светочувствительных материалов для фоторезисторов применяют, как правило, полупроводниковые соединения типа АIIBVI (сульфид и селенид кадмия CdS, CdSe ( видимый диапазон) или АIVBVI (сульфид и селенид свинца PbS, PbSe ( инфракрасный диапазон).
  • Вольтамперная характеристика (рис. 7.1, а) отображает зависимость тока через фоторезистор от приложенного напряжения; параметром семейства является величина светового потока. Строго говоря, эта зависимость не линейна. В области малых напряжений сказыв...
  • Рис. 7.1. Вольтамперная (а) и энергетическая (б)
  • характеристики фоторезистора
  • Однако в области рабочих напряжений (рис. 7.1, а) характеристики практически линейны, их наклон определяет сопротивление фоторезистора при данном световом потоке. В частности, котангенс угла наклона ВАХ при Ф = 0 равен темновому сопротивлению фоторези...
  • Энергетическая характеристика фоторезистора (рис. 7.1, б) линейна для невысоких значений светового потока Ф. При увеличении Ф рост фототока замедляется: значительный рост концентрации подвижных носителей приводит к увеличению скорости рекомбинации.
  • Важнейшим параметром фоточувствительного прибора является токовая чувствительность ( отношение фототока к некоторой величине, характеризующей падающий световой поток. Для фоторезисторов в качестве такого параметра используют удельную интегральную чувс...
  • . (7.4)
  • Как следует из семейства ВАХ (рис. 7.1, а), чувствительность фоторезистора зависит от того, при каком напряжении она измеряется. Поэтому, для исключения влияния напряжения используют удельную чувствительность, приведенную к 1 вольту напряжения. Ее вел...
  • При включении фоторезистора в измерительную цепь как составной части делителя (рис. 7.2, а) выходным сигналом является изменение падения напряжения на нагрузочном резисторе Rн. Если световой поток сформирован в виде импульсов, то на сопротивлении нагр...
  • В этом случае наиболее удобным параметром является вольтовая чувствительность (В/лм) при данном рабочем напряжении:
  • . (7.5)
  • Рис. 7.2. Измерительная цепь фоторезистора (а) и искажения,
  • вносимые при преобразовании импульсного светового сигнала (б)
  • При облучении фоторезистора прямоугольными световыми импульсами форма выходного импульса искажается (рис. 7.2, в): ток нарастает и уменьшается с запаздыванием относительно светового импульса. Инерционность фоторезистора связана со временем жизни нерав...
  • 7.3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В P(N-ПЕРЕХОДЕ
  • При облучении p(n-перехода светом с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны, во всей области поглощения происходит биполярная световая генерация подвижных носителей. Дальнейшая «судьба» этих электронов и дырок зависит от того, в каком ме...
  • 1. Если электронно-дырочные пары возникли непосредственно в переходе с шириной l, то они разделяются контактным электрическим полем и переходят в те области, где становятся основными носителями.
  • 2. Если световая генерация происходит в частях p- и n-областей, прилегающих к границам перехода шириной порядка диффузионной длины неосновных носителей (Lp и Ln, см. раздел 4.3), то электронно-дырочные пары также разделяются. Основные носители остаютс...
  • 3. Электронно-дырочные пары, образовавшиеся в глубине p- и n-областей, в течение времени жизни не попадают в контактное электрическое поле перехода и рекомбинируют.
  • Таким образом, при постоянном уровне облучения в области шириной l + Lp + Ln происходят следующие процессы:
  • Ток, обусловленный электронами и дырками из разделенных полем перехода электронно-дырочных пар (фототок Iф) совпадает по направлению с дрейфовым током неосновных носителей I0. Следовательно, через переход протекает суммарный дрейфовый ток Iф+ I0. Конц...
  • Рис. 7.3. Энергетические диаграммы p(n-перехода:
  • а) в отсутствие освещения;
  • б) при освещении в режиме холостого хода,
  • в) при освещении в режиме короткого замыкания
  • Как было установлено ранее (см. раздел 6.5), диффузионный ток основных носителей при данном прямом напряжении (в нашем случае Uxx) равен . Для равновесного состояния Iф = Iдф ( I0, следовательно , и напряжение холостого хода:
  • . (7.6)
  • На энергетической диаграмме освещенного перехода в режиме холостого хода (рис. 7.3, б) видно, что световой поток смещает уровни Ферми p- и n-областей на величину eUxx из-за повышения концентраций основных носителей, что приводит к снижению потенциальн...
  • При замыкании p- и n-областей (рис. 7.3, в) через переход течет ток короткого замыкания:
  • , (7.7)
  • где G ( скорость биполярной световой генерации, S ( площадь перехода. При коротком замыкании перехода генерируемые светом носители не накапливаются в смежных областях и не компенсируют объемный заряд ионов примесей. Они образуют дрейфовый ток коротког...
  • Рис. 7.4. Пример вольтамперной характеристики p(n-перехода
  • при разных уровнях освещенности
  • Вольтамперная характеристика p(n-перехода, облученного светом, (рис. 7.4) пересекает ось прямых напряжений в точке U = Uxx и ось токов при I = Iкз, т. е. она смещена вниз относительно ВАХ в отсутствие освещения тем больше, чем выше значение светового ...
  • В режиме фотоэлемента (IV) p(n-переход является источником электрической энергии. При включении нагрузки параллельно переходу протекающий в цепи фототок обеспечивает полезную мощность, выделяющуюся за счет падения напряжения на нагрузочном сопротивлен...
  • При обратном смещении перехода и освещении его светом работают широко распространенные фотоприемники ( фотодиоды. Их вольтамперная характеристика представляет собой часть ВАХ перехода, облучаемого светом, лежащую в области III (рис. 7.4). Ток фотодиод...
  • . (7.8)
  • В отличие от фоторезистора, и не зависят от напряжения, так как фототок при изменении напряжения на фотодиоде остается постоянным.
  • 7.4. ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕТА ПОЛУПРОВОДНИКАМИ
  • Излучающие полупроводниковые приборы преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения в узком диапазоне длин волн. Электролюминесценция в этом случае происходит за счет излучательной рекомбинации. Для того чтобы поддерживать изл...
  • Полупроводниковые переходы могут быть источниками некогерентного и когерентного излучения. В первом случае это ( светодиоды, во втором ( инжекционные лазеры.
  • 7.5. ИНЖЕКЦИОННЫЕ СВЕТОДИОДЫ С P(N-ПЕРЕХОДАМИ
  • В данном разделе будут рассмотрены физические механизмы некогерентного светового излучения, обусловленного самопроизвольной излучательной рекомбинацией носителей заряда, инжектированных через прямо смещенный p(n-переход.
  • Наибольший интерес представляет излучение света в видимой области, поэтому необходимо использовать полупроводники с широкой запрещенной зоной (1,8(3,4 эВ). Основные полупроводниковые материалы для светодиодов: нитрид галлия GaN (ΔЕз = 3,39 эВ), фосфид...
  • Поскольку вероятность такой рекомбинации невелика (см. раздел 4.5), важнейшей задачей является увеличение доли излучательных переходов между уровнями или энергетическими зонами. Эта задача решается, прежде всего, путем использования полупроводников, в...
  • Рис. 7.5. Зависимость энергии
  • электронов
  • от квазиимпульса
  • для арсенида галлия,
  • фосфида галлия и
  • тройного соединения GaAs1-xPx
  • Такие полупроводники называются прямозонными; в них рекомбинация электрона и дырки с испусканием кванта света происходит без участия кристаллической решетки.
  • Модель плоских энергетических зон не пригодна для отображения физической картины процессов излучательной и безызлучательной рекомбинации. Для этого необходимо учесть зависимость энергии, соответствующей краям зон, от квазиимпульса частиц.
  • Так, из рис. 7.5 следует, что арсенид галлия GaAs ( прямозонный полупроводник: абсолютный минимум энергии дна зоны проводимости и максимум энергии потолка валентной зоны находятся при одном и том же значении квазиимпульса . Напротив, фосфид галлия GaP...
  • Несмотря на то, что в GaP невозможны прямые переходы, он широко используется как материал для изготовления светодиодов видимой области спектра. Для этого в полупроводник вводят чужеродные атомы для образования ловушек ( центров излучательной рекомбина...
  • Такое легирование открывает возможность излучательной рекомбинации с участием ловушек за счет прямых переходов на конечной стадии ступенчатой рекомбинации (см. рис. 4.3) и за счет таких же переходов между уровнями ловушек донорного и акцепт...
  • Современные светодиоды излучают красный, желтый, зеленый, оранжевый, синий и белый свет. Наиболее широкое применение светодиодов ( устройства отображения цифр и знаков в световых табло и экранах различного назначения; светофоры, габаритные огни легков...
  • Для изготовления светодиодов часто используют гетеропереходы. Их основное преимущество – односторонняя инжекция из широкозонного полупроводника в узкозонный, что позволяет существенно увеличить интенсивность излучательной рекомбинации.

Статистика использования

stat Количество обращений: 5
За последние 30 дней: 2
Подробная статистика