А.Н. Матвеев - Атомная физика (1120551), страница 97
Текст из файла (страница 97)
Электронные свойства твердых тел ры называются термисторами 1терморезисторами). Они имеют малые размеры и используются, в частности, в биологии. Термисторы на германии очень чувствительны при низких температурах и используются вплоть до гелиевых температур. Сильная зависимость электропроводимости от давления позволяет создавать тензодатчики, с помошью которых измеряешься давление.
Под действием излучения, энергия кванта которого больше ширины запрещенной зоны, электроны проходят из валентной зоны в зону проводимости и увеличивается проводимость полупроводника. Это явление называется фотоузроводимостью. Оно используется для создания фото- резисторов, с помощью которых регистрируется излучение. Если энергия квантов много меньше ширины запрещенной зоны, то посредством охлаждения полупроводника до очень низких температур (вплоть до гелиевых) удается детектировать фотопроводимость, возникающую в результате переходов из донорных или акцепторных уровней, которые соответствуют инфракрасным частотам.
Обра~ные переходы электронов из зоны проводимости в валснтную зону сопровождаются излучением квантов света и могут бы гь использованы для генерации лазерного излучения 1твердотельные лазеры). Если переход электронов в зону проводимости возбуждается светом, то говорят о полупроводниковом лазере с оптической накачкой. Но можно возбуждать переходы электронов в зону проводимости электронным пучком и говорить о лазере с электронной накачкой.
Эффект Холла используется для создания датчиков Холла, с помошью которых с большой точностью измеряются магнитные поля. 69. р-и-Переходы я транзисторы Рассматриваются физические «аления в р-и-перехолах и транзисторах и нх использование в некоторых технических устройствах. Возникновение р-и-переходя. р-л-Переход создается в естественном полупроводнике легированием донорными и акцепторными примесями по разные стороны от границы раздела. Область, легированная донорными примесями, становится и-областью с электронной проводимостью, а область с акцепторными примесями становится р-областью с дырочной проводимостью.
В л-области концентрация электронов больше, а дырок-меньше, чем в р-области, а концентрация дырок больше в р-области. Поэтому после создания перехода электроны диффундируют из л-области в р-область, а дырки-в обратном направлении, в результате чего в и-области образуется положительный заряд, а в р-области †отрицательн (рис.
118). Возникающие в результате этого разность потенциалов и электрическое поле стремятся замедлить диффузию электронов и дырок. При некоторой разнос~и потенциалов наступает равновесное состояние. Поскольку заряд электронов отрицателен, увеличение потенциала приводит к уменьшению потенциальной энергии электронов и увеличению потенциальной энергии дырок. Поэтому в результате рос~а потенциала л-области потенциальная энергия электронов там уменьшается, а в р-области увеличивается. Потенциальная энергия дырок изменяется в противоположном смысле (рис. 119).
Характер изменения электрического потенциала совпадает с характером изменения потенциальной энергии дырок, т.е. со штриховой кривой на рис. ! 19. Е 69 р-»-Переходы и транзисторы 367 При указанном на рис. 119 графике потенциальной энергии создается поток электронов из р-области в и-область и поток дырок в обра~ном направлении. Иначе говоря, возникший потенциальный барьер противостоит диффузионному напору электронов и дырок с той стороны перехода, где нх концентрация больше, т. е.
противостоит диффузионному напору электронов со стороны и-области и диффузионному напору дырок со стороны р-области. Потенциальный барьер возрастает до такой величины, при которой возникающее на переходе электрическое поле создае~ такие электрические токи электронов и дырок, которые полностью компенсируют диффузионные потоки соответствующих носителей через переход, в результате чего достигается стационарное состояние.
В и-области электрический ток обусловливается движением электронов, которые там являются основными носителями. В р-области основными носителями служат дырки. Следовательно, электрическое поле на переходе создае~ электрический ток, состоящий из дырок, которые движутся из и-области в р-область, и из электронов, которые движутся из р-области в п-область. Образующийся суммарный электрический ток является током не- основных носителей, направленным из п-области в р-область; его плотность обозначим 1'„(рис.
119). Диффузионные потоки электронов и дырок составляют на переходе диффузионный ток основных носителей, направленный из р-области в п-область; его плотность обозначим 1.. В состоянии равновесия /„ + 1' = О. Для дальнейшего необходимо принять во внимание, что концентрация неосновных носителей, по определению, много меньше концентрации основных носи- р-»-Переход »-Млаеп о — — ь- тг-»Г»аегь ое Изменение потенциальной энергии электронов и дырок в оп»асти перехода гелей и поэтому сила тока неосновных носителей ограничена. Распределение электронов в дырок в р-и-переходе.
Как было отмечено, электроны в зоне проводимости полупроводников и дырки имеют конечное время жизни. Поэтому дырки, проникающие из р-области в п-область, диффундируют в ней в течение некоторого времени, а затем аннигилируют с электронами. Аналогично ведут себя избыточные электроны, попавшие из и-области в р-область. Поэтому концентрация избыточных дырок в и-области и концентрация избыточных электронов в р-области убывают при удалении от границы между р- и п-областями. Это убывание экспоненциально, что видно из следующих соображений. Из-за независимости вероятности аннигиляции электрона или дырки от истории ее предшествующей диффузии можно написать, что изменение р-область л-обоасть 120 Ео! !21 122 368 13 Электронные свойства твердых тел Концентрация избыточных злектронов и дырок на переходе о-область т„— -|- р-Мласть ж Внешняя разность потенциалов приложена так, что со стороны л-областн потенциал отрица- телен и-облошь т„р-облапь Внешняя разность потенциалов приложена так, что со стороны «-области потенциал положи- телен концентрации с)л электронов или дырок в результате аннигиляции в течение времени с)1 должно быть пропорционально этому промежутку времени и концентрации: с1л = — (1/т) лс11, 169.1а) где !~т характеризует вероятность аннигиляции.
Отсюда получаем л=лае "', (б9.1б) т.е. экспоненциальное уменьшение концентрации со временем !рис. 121)). С помощью понятия средней скорости диффузии отсюда сразу получается экспоненциальная зависимость концентрации от расстояния до границы раздела между р- и и-областями. Вообще говоря, т в (69.1а) может несколько различаться для электронов и дырок. Аналогично несколько различается и скорость спадания концентрации электронов и дырок по разные стороны от границы. В чистом германии при комнатной температуре значение т составляе~ несколько тысячных долей секунды, Это приводит к заключению, что ширила перехода имеет порядок микрометра. При наличии примесей эта величина уменьшается и может быть сделана чрезвычайно малой при достаточно большой концентрации примесных атомов.
Она уменьшается обратно пропорционально концентрации примесных атомов. Заряд, который перетекает из одной области в другую при образовании перехода, очень мал. Обычно энергия Ферми р- и л-областей полупроводников различается примерно на 1 эВ. Поэтому разность потенциалов, возникающая на переходе и выравнивающая энергии Ферми по разные стороны перехода, имеет порядок 1 В.
Как показывает расчет, для создания такой разности потенциалов достаточно, чтобы через й 69. р и-Переходы и траиаисторы 369 переход просочилось 10 гз-10 ге Кл заряда, т,е. !Оа — 1Об электронов. Электрический ток через р-и-переход. Если внешняя разность потенциалов приложена так, что со стороны и-области потенциал отрицателен, а со стороны р-области — положителен, то потенциальные барьеры для основных носителей уменьшаются (рис.
121). Благодаря этому сила тока основных носителей увеличивается, поскольку для них уменьшается потенциальный барьер. Сила тока же неосновных носи~елей практически не изменяется, потому что этот диффузионный ток в основном определяется концентрацией носителей и не зависит от разности потенциалов. Если внешняя разность потенциалов приложена так, что со стороны и-области потенциал положителен, а со стороны р-области-отрицателен, то потенциальные барьеры для основных носителей увеличиваются (рис.
122). Благодаря этому гок основных носителей уменьшается и практически становится равным нулю. Ток же не- основных носителей по-прежнему практически не изменяется по тем же причинам, что и в предыдущем случае. Ток в пап рцп гении от гг-обдаст и к р-области пе илсг. Это направление называется запорным. В напраилении от гг-области к побласти ток проходит нормально. Это направление называется проходггым. Существование проходного и запорного направлений может быть также понято из следующих соображений: и-область характеризуется изобилием свободных электронов и очень скудным запасом дырок, а р-область имеет в изобилии дырки и очень бедна свободными электронами.
Поэтому легко осугцествимым является лишь ли 22з Вольт-ампсрная характеристика р-п-перехода. Положительные значения напряжения Гг соотяетстяуют падению янеюне|о потенциала на пегжьол«от р-области х и-области гт.е. ситуации. предстаяленной иа рис. 12!) движение электронов из и-области в р-область и движение дырок из р-области в п-область, т.е. электрический ток в направлении из р-области в и-область.
Это и есть проходное направление, Ток в обратном направлении практически невозможен, поскольку практически нет в наличии свободных электронов и дырок, которые могли бы осуществить этот ток. Это направление является запорным. Из изложенного видно, что аналогичные явления должны возникнуть также на переходе между металлом и полупроводником. Переход металл †полупроводн также обладает способностью пропускать электрический ток в одном направлении и не пропускать его в другом, причем полупроводник при этом может быть любого типа.
Это обусловлено тем, что даже и-полупроводник относительно металла может считаться чрезвычайно бедным в о~ношении свободных электронов. Ясно, что проходным направлением на переходе металл — полупроводник является направление от полупроводника к металлу. Вольт-ампериая характеристика. Вольт-амперная характеристика р-и- перехода показана на рис. 123. Таким 360 13. Электронные свойства твердых тел Вольт-амперная характеристика для р-л-перехода в кремнии 1 ® Р 1 а) ия Включение диода в схемы о-агпасге дсвааегеа-лаюсь данае"ы а-Массо д.айаааа а,' а1 а1 к26 Механизм действия туннельного диода образом, р-и-переход обладает односторонней проводимостью, а именно проводит ток только в направлении от р-области к и-области.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
