А.Н. Матвеев - Атомная физика (1121290), страница 95
Текст из файла (страница 95)
Ток в полупроводниках определяется как движением электронов, так и движениемдырок. Обозначив пе и ид концентрацию электронов и дырок, можно полную плотность тока представить ввидеj = e ( n ava - n eve)£ (е > 0),(68.13)где ё - напряженность внешнего электрического поля, под влиянием которого возникает электрический ток сплотностью j; va и ve- средние скорости дрейфа дырок и электронов подвлиянием электрического поля, называемые подвижностями электронов идырок.П олная плотность тока (68.13)слагается из плотностей тока электронов и дырок:I =(68.14а)J, =(68.146)где qe = —е и qa = е.
Подвижностьюносителей заряда называется средняяскорость их дрейфа в электрическомполе единичной напряженности.Равенства (68.14) являются записьюзакона О ма в дифференциальной форме:j = yg = (l/p)g,(68.15)где у = 1/р - удельная проводимость,р - удельное сопротивление, причему - арифметическая величина (положительный знак). Сравнение (68.15) с(68.14) показывает, что удельная проводимость связана с подвижностямии концентрациями соотношениему = env,(68.16)где е и г;-м одули скорости и зарядасоответствующего носителя. Измеривдырочную или электронную проводимость и зная концентрацию соответствующих носителей, можно определить их подвижность. Знак и концентрация носителей определяются поэффекту Холла.§ 68Физические факторы, которые влияю т на подвижность носителей, в полупроводниках те же самые, что и вметаллах, т.е.
рассеяние электроновна колебаниях кристаллической решетки и на атом ах примеси. Однако зависимость подвижности носителей оттемпературы в полупроводниках совершенно другая, чем в металлах.Э то обусловлено зависимостью распределения носителей заряда в полупроводниках от температуры уже приих небольших энергиях, в то времякак в металлах распределение энергииэлектронов от температуры из-за большей их средней энергии начинает зависеть от температуры лишь при высоких энергиях. В полупроводникахподвижность носителей из-за рассеяния на колебаниях кристаллическойрешетки с ростом температуры убывает как Г _3/2, а их подвижностьиз-за рассеяния на атомах примесейувеличивается пропорционально Т 3/2.В результате этого полная электропроводимость в зависимости от тем пературы имеет минимум при некоторой температуре. Детали этой зависимости довольно сложны и здесь неприводятся.П роводимость пропорциональнапроизведению подвижности на концентрацию.
Концентрация носителейв полупроводнике растет с увеличением температуры и затем выходит наплато.Например, у кремния и германияона выходит на плато существеннораньшекомнатныхтемператур.Для естественных полупроводниковконцентрация п- и p-носителей одинакова.Например, концентрации естественных носителей при комнатной температуре в кремнии и германии составляю т соответственно 3-1016 м _3и 1019 м ~ 3.
Отсю да следует, что у24'П олупроводники 3S5кремния уже при концентрации примесных атом ов 1018 м -3 примеснаяпроводимость доминирует над естественной.Д ля примесных полупроводников«-типаконцентрация р-носителейочень мала, а у полупроводниковp -типа очень м ала концентрация электронов в зоне проводимости.Рекомбинация. Электроны в зонепроводимости полупроводника находятся в возбужденном состоянии и,следовательно, имею т конечное время жизни.
При встрече они аннигилирую т с дырками. Однако вероятностьтакой рекомбинации очень мала, потом у что и электроны, и дырки движутся с больш ими скоростями и вероятность их нахождения в одном итом же месте пространства в один итот же момент времени ничтожна.Поэтому главный путь рекомбинацииосуществляется посредством захватаэлектронов (или дырок) примеснымиатомами.
Захваченный электрон (илидырка) удерживается около примесного атом а до тех пор, пока не аннигилирует с пролетающей мимо ды ркой (или электроном). Э тот механизмзначительно более эффективен, чемпрямая рекомбинация. Тем не менеевероятность рекомбинации посредством захвата также не очень велика иобычно обеспечивает сравнительнобольшую продолжительность жизнисоответствующих носителей.
В германии и кремнии продолжительностьжизни носителей до рекомбинацииимеет порядок 10-4 с.Применение однородных полупроводников. Очень сильная зависимостьпроводимости полупроводников оттемпературы делает возможным создание с их помощ ью очень чувствительных терм ометров и устройств, спомощ ью которых можно контролировать силу тока в цепи.
Такие прибо356 13. Э лектронны е свойства твердых телры называю тся термисторами (терморезисторами). Они имею т малыеразмеры и используются, в частности,в биологии. Термисторы на германииочень чувствительны при низких тем пературах и используются вплоть догелиевых температур. Сильная зависимость электропроводимости от давления позволяет создавать тензодатчики, с помощ ью которых измеряетсядавление. П од действием излучения,энергия кванта которого больше ш ирины запрещенной зоны, электроныпроходят из валентной зоны в зонупроводимости и увеличивается проводимость полупроводника.
Это явление называется фотопроводимостью.Оно используется для создания ф оторезисторов, с помощ ью которых регистрируется излучение. Если энергияквантов много меньше ширины запрещенной зоны, то посредством охлаждения полупроводника до оченьнизких температур (вплоть до гелиевых) удается детектировать фотопроводимость, возникающую в результате переходов из донорных или акцепторных уровней, которые соответствуют инфракрасным частотам. О братные переходы электронов из зоныпроводимости в валентную зону сопровождаю тся излучением квантовсвета и могут быть использованы длягенерации лазерного излучения (твердотельные лазеры).
Если переход электронов в зону проводимости возбуждается светом, то говорят о полупроводниковом лазере с оптическойнакачкой. Но можно возбуждать переходы электронов в зону проводимости электронным пучком и говорить о лазере с электронной накачкой.Эффект Х олла используется длясоздания датчиков Х олла, с помощ ьюкоторых с больш ой точностью измеряются магнитные поля.69. />-и-Переходы и транзисторыРассматриваются физические явления в р-п-переходах и транзисторах и их использование внекоторых технических устройствах.Возникновение ^-«-перехода. ^-«-Переход создается в естественном полупроводнике легированием донорными и акцепторными примесями поразные стороны от границы раздела.Область, легированная донорнымипримесями, становится «-областью сэлектронной проводимостью , а область с акцепторными примесями становится ^-областью с дырочной проводимостью.В «-области концентрация электронов больше, а д ы рок-м ен ьш е, чем в^-области, а концентрация дырок больше в /^-области.
Поэтому после создания перехода электроны диффундирую т из «-области в /7-обласгь, а ды рк и - в обратном направлении, в результате чего в «-области образуетсяположительный заряд, а в /7-области - отрицательный (рис. 118). Возникающие в результате этого разностьпотенциалов и электрическое полестремятся замедлить диффузию электронов и дырок.
При некоторой разности потенциалов наступает равновесное состояние. Поскольку зарядэлектронов отрицателен, увеличениепотенциала приводит к уменьшениюпотенциальной энергии электронов иувеличению потенциальной энергиидырок. П оэтомув результате роста потенциала «-области потенциальная энергия электронов там уменьшается, а в /7-областиувеличивается. Потенциальная энергия дырок изменяется в противоположном смысле (рис. 119).Характер изменения электрическогопотенциала совпадает с характером изменения потенциальной энергии дырок,т.е. со штриховой кривой на рис. 119.§ 69При указанном на рис. 119 графике потенциальной энергии создается поток электронов из /7-области в«-область и поток дырок в обратномнаправлении.
Иначе говоря,возникший потенциальный барьер противостоит диффузионному напору электронов и дырок с той стороны перехода, где их концентрация больше,т. е. противостоит диффузионному напору электронов со стороны «-области и диффузионному напору дырок состороны ^-области.Потенциальный барьер возрастаетдо такой величины, при которой возникающее на переходе электрическоеполе создает такие электрические токи электронов и дырок, которые полностью компенсируют диффузионныепотоки соответствующих носителейчерез переход, в результате чего достигается стационарное состояние.
В«-области электрический ток обусловливается движением электронов, которые там являю тся основными носителями. В /7-области основными носителями служат дырки. Следовательно, электрическое поле на переходесоздает электрический ток, состоящий из дырок, которые движутся из«-области в /7-область, и из электронов, которые движутся из p -области в«-область.
Образующийся суммарныйэлектрический ток является током неосновных носителей, направленнымиз «-обл асти в /7-область; его плотность обозначим ун (рис. 119). Диффузионные потоки электронов и дыроксоставляю т на переходе диффузионный ток основных носителей, направленный из /7-области в «-область; егоплотность обозначим j Q. В состоянииравновесия /н + /0 = 0. Д ля дальнейшего необходимо принять во внимание, что концентрация неосновныхносителей, по определению, многоменьше концентрации основных носи-р-п -Переходыи транзисторы 357118/w i-Переход*п-областьЪ --------►**р-областьjm119Изменение потенциальной энергии электронови дырок в области переходателей и поэтому сила тока неосновных носителей ограничена.Распределение электронов и дырокв /7-«-переходе. Как было отмечено,электроны в зоне проводимости полупроводников и дырки имею т конечное время жизни.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
