Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Таким образом, эффективная масса — это коэффициент пропорциональности в законе, связывающем внешнюю силу, действующую на электрон в кристалле, с его ускорением. Зона проводимости полупроводника может быть образована из нескольких перекрывающихся между собой разрешенных энергетических зон. Структура энергетических зон или энергетическая диаграмма полупроводника в пространстве квазиимпульсов (в )с-пространстве) может иметь несколько минимумов (рис.
!.15). Например, на энергетической диаграмме арсенида галлия зона проводимости кроме центральной долины с минимумом энергии при волновом векторе )с = О имеет еще боковые долины с минимумом энергии, который отличается от предыдущего на ЛЭ!. Из этой энергетической диаграммы следует, что в зоне проводимости арсенида галлия могут существовать электроны, обладающие одной и той же энергией, но имеющие различные квазиимпульсы, а следовательно, и различные эффективные массы: Если Р!(Рз, то пту(пгТ, а это значит, что )с!))сз.
Таким образом, в полупроводнике (арсениде галлия) могут существовать свободные электроны с разнымн подвижностями: «легкие» электроны с малой эффективной массой и с большой подвижностью в центральной долине и «тяжелые» электроны с большой эффективной массой и с малой подвижностью в боковых долинах. В слабых электрических полях почти все свободные электроны имеют малые дрейфовые скорости и квазиимпульсы и поэто- му находятся в центральной долине. В сильных электрических полях свободные электроны, приобретая дополнительную энергию, превышающую ЛЭь получают возможность перейти в боковые долины. Там они характеризуются большей эффективной массой (станут «тяжелыми») и малой подвижностью.
По этой причине средняя подвижность всех свободных электронов с увеличением напряженности электрического поля уменьшается. Подвижности «легких» и «тяжелых» электронов могут отличаться в десятки раз. Существуют различные виды поглощения света. При поглощении полупроводником квантов света — фотонов — их энергия может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости, т. е, энергия квантов света идет на ионизацию атомов полупроводника. Этот процесс называют собственным поглощением. Существует поглощение энергии квантов света свободнымн электронами зоны проводимости или дырками валентной зоны, т, е, поглощение носителями заряда.
При этом энергия квантов света расходуется также на перевод носителей на более высокие для них энергетические уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное поглощение, при котором энергия фотонов идет на ионизацню или возбуждение примесных атомов. Кроме того, в полупроводниках могут происходить поглощение фотонов кристаллической решеткой и некоторые другие виды поглощения.
Процессы поглощения фотонов не следует смешивать с процессами рассеяния, которые также приводят к уменьшению плотности потока фотонов. При собственном поглощении фотонов переход электронов нз валентной зоны в зону проводимости полупроводника может происходить без изменения квазиимпульса или волнового вектора электрона, т. е, возможны прямые переходы (рис.
1.!6). Может происходить также переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости и с изменением волнового вектора — непрямые переходы (рис. 1.17). При непрямых переходах в процессе поглощения кроме фотона и электрона должна участвовать еще третья квазичастица, которая заберет часть квазиимпульса на себя, т. е, обеспечит выполнение закона сохранения импульса. Таким образом, непрямые переходы — это переходы с участием третьей квазичастицы.
Третьей квазичастицей обычно является фонон квант тепловой энергии кристаллической решетки полупроводника. нов (меньше ширины запрещенной а р «т ~н зоны полупроводника) показатель поглощения уменьшается. ун й'т~ При еще меньших энергиях квантов света может происходить примесное поглощение, если не все при- йр меси ионизированы прн данной температуре. Примесному поглоще- Рнс.
!.!9. Снекгр поглощенно нию соответствует один или несколь- оолунровонннна ко максимумов в спектре поглощения при энергиях квантов света, равных энергиям ионизации примесей. При малых энергиях фотонов основным процессом поглощения является поглощение носителями заряда. Поэтому показатель поглощения в этом диапазоне частот зависит от концентрации носителей или от концентрации примесей. и Р3етв 3Ре ф Рна !.!В. Поглощение света н нонунрононнннн Поглощение света или вообще фотонов характеризуют показателем поело!ценил а, который равен относительному изменению светового потока (потока фотонов) в слое полупроводника единичной толщины (рнс. 1.18): ! вФ а= — — —.
Ф Вт Это соотношение представляет собой дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Поэтому щ к еш г Ф вЂ” = — а ! йх; 1п — = — ах и Ф = Фо ехр( — ах). Ф 3 Ф,— нн '1'аким образом, показатель поглощения а можно определить как величину, обратную толщине слоя полупроводника, после прохождения которого световой поток (поток фотонов) уменьшится в е = 2,718 ...
раза. Зависимость показателя поглощения от энергии фотонов называют спектром поглощения полупроводника (рис. !.!9). При больших энергиях фотонов происходит собственное поглощение с образованием пар носителей электрон — дырка. Показатель поглощения при этом велик. Прн малой энергии фото- 33 Люминесценция полупроводников Люминесцепцией называют электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. х(ля возникновения люминесценции в полупроводнике атомы полупроводника должны быть выведены из состояния термодинамического равновесия, т.
е. возбуждены. Они могут быть переведены в возбужденное состояние электрическим полем (электролюминесцепция), бомбардировкой полупроводника электронами (кагодолюмипесцепция), освещением (фоголюмипесцепция) и с помощью других энергетических воздействий.
При люминесценции акты поглощения энергии полупроводником и излучения квантов света разделены во времени (а может быть, и в пространстве) промежуточными процессами, что приводит к относительно длительному существованию свечения полупроводника после прекращения возбуждения.
Излучение квантов света из полупроводника может происходить в результате перехода электрона на более низкий энергетический уровень при межзонной рекомбинации или при рекомбинации с участием рекомбинационных ловушек (см. рис. 1.3). Излучательная рекомбинация носителей заряда может произойти без электромагнитного воздействия, т. е. самопроизвольно.
Такую рекомбинацню называют самопроизвольной или спонтанной. Так как спонтанное излучение случайно и имеет статистический характер, то оно некогерентно. Это обусловлено тем, что акты спонтанного излучения происходят независимо друг от друга в разные моменты времени. Переход электрона на более низкий энергетический уровень с излучением кванта света может произойти с помощью электромагнитного воздействия. Такую рекомбинацию (такой переход) называют вынужденной или стимулированной.
Следовательно, 33 квант света с определенной частотой может ие только поглощаться полупроводником, но и вызывать добавочное индуцированное излучение. Индуцированное излучение происходит в том же направлении„ что и вызвавшие его излучение, в одной и той же фазе и с одинаковой поляризацией, т. е. индуцированное излучение является когерентным. $1Л2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Фоторезистивный эффект Фоторезистивный эффект — это изменение электрического сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно действием оптического излучения и не связанное с его нагреванием. Для возникновения фоторезистивного эффекта необходимо, чтобы в полупроводнике происходило либо собственное поглощение оптического излучения или фотонов с образованием новых пар носителей заряда, либо примесное поглощение с образованием носителей одного знака при возбуждении однотипных дефектов. В результате увеличения концентрации носителей заряда уменьшается сопротивление полупроводника.
При облучении полупроводника наряду с генерацией неравновесных носителей заряда происходит и обратный процесс— рекомбинация. Через некоторое время после начала облучения устанавливается динамическое равновесие между генерацией н рекомбинацней. При этом избыточная концентрация, например, электронов Ап =(1 — )с)а11й!ьт„ где йр — коэффициент отражения фотонов от полупроводника; а — показатель поглощения; 1) — квантовая эффективность генерации, т. е. число возникающих пар носителей при собственном поглощении (или число носителей при примесном поглощении), отнесенное к числу поглощенных фотонов; !Ть — число фотонов, падающих на единичную поверхность полупроводника в единицу времени (оно может быть определено как мощность падающего на единичную поверхность излучения, отнесенное к энергии фотона !гн); т.
— время жизни неравновесных носителей заряда. Возникновение ЭДС в однородном полупроводнике при его освещении Если однородный полупроводник осветить сильно поглощаемым светом, то в его поверхностном слое, где происходит основное поглощение света, возникнет избыточная концентрация электронов и дырок, которые будут диффундировать в глубь Рис.
1.20. Возникновение ЭрсС в полупроводнике при есо освещении $1.13. ОБЕДНЕННЫЕ, ИНВЕРСНЫЕ И ОБОГДЩЕННЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ СЛОИ Поверхность полупроводника представляет собой нарушение периодичности кристаллической решетки. Из-за этого возникают дополнительные энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне энергетической диаграммы полупроводника. Эти уровни, теоретически предсказанные И. Е. Таммом, называют уровнями Тамма.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
