№ 133 (1107957), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Незанятые(вакантные) места на уровнях валентной зоны называют дырками.Вместо того чтобы описывать перераспределение по уровням энергии впочти заполненной валентной зоне всей совокупности электронов,занимающих эту зону, рассматривают перераспределение сравнительнонебольшого числа дырок. Возникновение при этом электрического токаможно представить следующим образом. Электрон, связанный в какомлибо узле кристаллической решѐтки (в валентной зоне эта связь слабая),вследствие возбуждения покидает этот узел, оставляя в узле свободноеместо – дырку. Такой же валентный электрон из соседнего узла, получив7энергию от электрического поля, может спустя некоторое время занять этоместо, оставив новую дырку в покинутом узле.

Эта дырка, в свою очередь,заполняется электроном, перешедшим из следующего узла, и т.д. Такимобразом, движению электрона в каком-либо направлении соответствуетдвижение дырок в противоположном направлении, т.е. в направлениидвижения в электрическом поле положительных зарядов. В результате,электрический ток, обусловленный перераспределением по уровнямэнергии электронов валентной зоны, можно представить как движение поддействием электрического поля дырок, имеющих положительный заряд,равный по величине заряду электрона. В связи с тем, что электроны вкаждом узле кристаллической решѐтки задерживаются некоторое время,движение дырок происходит не так быстро, как движение электронов всвободной зоне в том же электрическом поле.

Поэтому, рассматриваядырки как заряженные частицы, им следует приписывать эффективнуюмассу, несколько превышающую массу электрона, причѐм разную вразных веществах.Таким образом, электрический ток в полупроводнике складываетсяиз тока, обусловленного движением электронов свободной зоны, и тока,обусловленного движением дырок валентной зоны.

Такой видпроводимости осуществляется в чистых (беспримесных) полупроводникахи называется собственной проводимостью. Из сказанного ранееследует, что концентрация носителей заряда (электронов и дырок) и,следовательно, собственная проводимость полупроводника тем больше,чем меньше ширина запрещѐнной зоны. При увеличении температурыконцентрация носителей заряда также увеличивается и вместе с темвозрастает собственная проводимость.Примесная проводимость полупроводников.

Большоевлияние на электропроводность полупроводников оказывают примеси.Атомы примеси в кристаллической решѐтке находятся далеко друг отдруга, поэтому их уровни не расщепляются и зон не образуют. Однаконаличие примесей искажает поле решѐтки, что приводит к появлениюлокальных энергетических уровней. Подбирая примеси, можнополучить два типа локальных уровней, расположенных в запрещѐннойзоне.

На рис. 2, а изображены локальные уровни примеси пятивалентныхатомов фосфора в решѐтке, образованной четырѐхвалентными атомамиполупроводника германий. Если локальные уровни примеси расположеныблизко к дну свободной зоны, то энергии теплового движения приобычных температурах оказывается достаточно для перевода практическивсех электронов с этих уровней в свободную зону, которая превращаетсяпри этом в зону проводимости. Атомы примеси, поставляющие электроныв эту зону, называются донорами. После перехода электронов в зонупроводимости они превращаются в положительные ионы. Если ширина8запрещѐнной зоны достаточно велика, то из валентной зоны в свободнуюпри той же температуре переходит лишь незначительное числоэлектронов, а в валентной зоне образуется соответствующее число дырок.Проводимость таких полупроводников фактически определяетсяносителями заряда лишь одного вида – электронами зоны проводимости,полученнымиотдоноров.Ихназываютэлектроннымиполупроводниками, или полупроводниками n-типа.Рис.

2На рис. 2, б изображены локальные уровни примеси трѐхвалентныхатомов бора в решѐтке, образованной четырѐхвалентными атомамиполупроводника кремния, расположенные вблизи потолка валентной зоны.Переход электронов из валентной зоны на эти локальные уровни приводитк образованию дырок в валентной зоне. Атомы примеси, захватывающиеэлектроны, называются акцепторами. После захвата электронов онипревращаютсявотрицательныеионы.Проводимостьтакогополупроводника при обычных температурах осуществляется практическилишь одним типом носителей заряда – дырками.

Такие полупроводникиназываются дырочными полупроводниками, или полупроводниками ртипа.Проводимостьполупроводников,обусловленнаяналичиемпримесей, называется примесной проводимостью. Однако приповышении температуры концентрация носителей заряда, создаваемыхпримесями, быстро достигает насыщения – освобождаются все донорныеуровни или заполняются все акцепторные, и всѐ в большей степениначинает сказываться собственная проводимость, вызванная переходомэлектронов непосредственно из валентной зоны в свободную. В этомслучае проводимость полупроводника складывается из примесной исобственной проводимостей.

При низких температурах преобладает9примесная проводимость, при высоких – собственная.Свойства p-n-перехода. p-n-переходом называется контактмежду примесными полупроводниками разных типов. Как следует изсказанного выше, в полупроводнике n-типа в зоне проводимости обычнонаходится значительно больше электронов, чем в зоне проводимостиполупроводника р-типа. В то же время у полупроводников р-типа большедырок в валентной зоне, чем у полупроводника n-типа. При контактеполупроводников разных типов электроны из n-полупроводников, а дыркииз р-полупроводников диффундируют друг с другом – пара носителейзаряда с противоположными знаками исчезает.

Поэтому p-n-переходоказывается сильно обеднѐнным носителями заряда и приобретаетбольшое сопротивление. Одновременно на границе между n- и pполупроводниками возникает двойной электрический слой, образованныйсоднойРис. 3стороны положительными ионами донорной примеси в n-полупроводнике,заряд которых теперь не компенсируется ушедшими в р-полупроводникэлектронами, и с другой стороны – отрицательными ионами акцепторнойпримеси в р-полупроводнике, заряд которых уже не компенсируетсядырками (рис. 3 а).В результате этого полупроводник n-типа приобретает положительныйзаряд, а полупроводник р-типа – отрицательный. В узкой области контактапоявляется электрическое поле Е , которое препятствует дальнейшемупереходу электронов в р-полупроводник, а дырок – в n-полупроводник.Таким образом, создаѐтся потенциальный барьер, при наличии которогосопротивление p-n-перехода будет различным для различныхнаправлений тока: сопротивление велико, когда n-полупроводник имеетположительный потенциал, а р-полупроводник – отрицательный (рис.

3б), и мало в противоположном случае (рис. 3 в).Внутренний фотоэффект в полупроводниках. Поглощениефотонов внутри вещества, ведущее к перераспределению электронов ввеществе по энергетическим состояниям, сопровождается рядом явлений,из которых мы рассмотрим здесь возникновение фотопроводимости ивентильный фотоэффект.101.

Фотопроводимостьюназываетсяувеличениеэлектропроводности полупроводника (или диэлектрика) поддействиемэлектромагнитногоизлучения(света).Фотопроводимостьвызываетсяглавнымобразомувеличениемконцентрации носителей заряда при поглощении света. Возникает она приследующих процессах. Электрон валентной зоны может, поглотив фотон,получить энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. Такиепереходы ведут к возрастанию числа электронов в зоне проводимости ичисла дырок в валентной зоне (собственная фотопроводимость).Если в примесном полупроводнике имеется достаточное число свободныхакцепторных уровней, то электроны валентной зоны, получившие энергиюпри поглощении фотонов, могут перейти на эти уровни, образовав ввалентной зоне дырки (дырочная примесная фотопроводимость).При наличии заполненных донорных уровней, электроны, находящиеся наэтих уровнях, поглотив фотоны, могут перейти в свободную зону(электронная примесная фотопроводимость).

Во всех случаяхпереходы электронов возможны лишь при поглощении фотонов, имеющихэнергию, которая превышает так называемую пороговую энергиюактивации. Для чистых полупроводников (и диэлектриков) энергияактивации равна ширине W3 запрещѐнной зоны (рис.

1 в, г), дляполупроводников n-типа она равна расстоянию Wn между донорнымиуровнями и дном свободной зоны (рис. 2 а), а для полупроводников ртипа расстоянию WP между потолком валентной зоны и акцепторнымиуровнями (рис. 2 б).Фотопроводимость может вызываться также и фотонами с энергиейниже пороговой энергии активации. При поглощении таких фотоновэлектронами, находящимися в зоне, где имеются свободные уровни, вконечном счѐте, происходит увеличение средней энергии электронов –электроны «разогреваются».

С одной стороны, это ведѐт к увеличениюпроводимости из-за возрастания подвижности носителей заряда, а сдругой стороны, способствует переходам электронов в свободную зону засчѐт дополнительного теплового возбуждения.2. Вентильный фотоэффект наблюдается при поглощениисвета в области, где свойства вещества неоднородны. Напрактике для этого используется p-n-переход.

При освещении области pn-перехода фотоны, обладающие достаточной энергией, так же, как и вслучае фотопроводимости, поглощаются электронами и вызывают ихпереходы в свободную зону или на акцепторные уровни. Образовавшиесяпри этом свободные электроны и дырки под действием электрическогополя потенциального барьера p-n-перехода движутся в противоположных11направлениях: электроны проникают в полупроводник n-типа, заряжая егоотрицательно, а дырки – в полупроводник р-типа, заряжая егоположительно. Возникающая при этом электродвижущая сила (фотоэдс)определяется величиной светового потока, падающего на p-n-переход. Еѐможно измерить, присоединив вольтметр к точкам, лежащим по разныестороны p-n-перехода. Если p-n-переход замкнуть на микроамперметр, тоон покажет наличие электрического тока, текущего всѐ время, пока на p-nпереход падает свет.

Для вентильного фотоэффекта так же, как и дляфотопроводимости, существует пороговая энергия активации.Экспериментальное исследование зависимости фотопроводимости ифотоэдс вентильного фотоэффекта от энергии фотонов (от частоты  илидлины волны  падающего света) позволяет определить величину Wоптэнергии активации, при которой наблюдается оптимальное наблюдениефотопроводимости или возникновение оптимальной фотоэдс:2с 1,24  10 4Wопт   эВ ,00(1)где  0 - длина волны (в ангстремах), при которой наблюдаетсяоптимальная фотопроводимость или оптимальная фотоэдс.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы