В.И. Емельянов, Ю.В. Владимирова - Квантовая физика. Биты и кубиты (1161735), страница 16
Текст из файла (страница 16)
5 .5 .Уровни акцептора принимают на серnбя электроны, таким образом, в валентнойзоне образу~qтся положительно заряженные дырки .Рис .5.4. р- nпереход .f-llo,несмотря на то, что в акцепторной области есть положительныйзаряд дырок, в целом ее заряд равен нулю,5.3. Принципы работы р- nперехода и полупроводникового транзисторапоскольку существует также83отрицательный заряд ионизированныхпримесей, и поэтому, выполнено условие электронейтральности . Этоочень важное условие работы р- nперехода и, следовательно, транзистора. В п-области имеются доноры, они ионизированы и отдаютв зону проводимости отрицательно заряженные электроны.
Условиеэлектронейтральности для донорной области аналогично : хотя в зонепроводимости имеются свободные носители - электроны, но ионизированные примеси имеют положительный заряд, и в п-области полныйзаряд также равен нулю.аРис.5.5.бИонизация доноров (а) и акцепторов (б) образует газ отрицательнозаряженных электронов в зоне проводимости (с) и газ положительно заряженных дырок в валентной зоне (v)Рассмотрим посл~довательность диаграмм, которые объясняют работу р - n перехода. Это - распределение концентрации носителейзаряда,диаграмманаправленияэлектрических токовиихкомпенсации, диаграмма, объясняющая появление области пространствеиногозаряда.
Также рассмотрим стационарное состояние, распределение потенциала, и, наконец, управление этим потенциалом, то есть диодом.Основными носителями в р-области являются дырки и концентрация их nh при переходе в п-область падает (в идеализированном случаеграфик - «ступенька») . Концентрация электронов ne соответственнопадает при переходе в р-область (рис . 5.6, а) .Дырки и электроны можно рассматривать по отдельности . Начнемс дырок.
Поскольку имеется градиент концентрации дырок, то возникает диффузионный поток дырок, который пропорционален градиентуконцентрации дырок со знаком «минус», т.е. направлен из р-областив п-область . Поскольку за~яд дырки положителен, то соответствующий электрический ток, jдиф• направлен в ту же сторону (рис .5.6,б). В результате, в электронейтральную п-область переходят дырки,и образуют в ней положительный избыточный заряд.
Аналогично, из-заградиента концентрации электронов, возникает диффузионный поток84Гл .5. р - nпереход и Физическая реализация битовnра)+е-едъiрочный ток j ::НФб)--+--:~·е~онныи ток Jдифв)г)ток ;проводимости jnpoвИе ~д).... '"'Рис.5.6.Баланс процессов переноса и потенциальный барьер для электроновв р - n переходе .
Аналогичный барьер имеется и для дырокэлектронов из п-области в р-область, и в результате возникает избыточный отрицательный заряд в р-области. Следовательно, в областиперехода появляется область объемного заряда , в которой возникаетэлектрическое поле Е, направленное изn-в р-область (рис.5.6,г).Поле индуцирует ток проводимости, плотность которого равнаjпров~клад в проводимостьu= fY • Е,u = fYe + fYh,5.6, г) .дают как электроны, так и дырки:а jпров направлен по полю: из п-области в р'- 1область (рис.Диффузионные электротоки дырок и 1лектронов направлены в однуи ту же сторону (из р-области в п-область, рис.5.6,образом, суммарный диффузионный электрический ток••е)диф = Jдиф·h+ Jдифв, г).
Таким5.3.Принципы работы р-nперехода и полупроводникового транзистора85направлен противоположно току проводимости . В стационарном состоянии суммарный диффузионный ток компенсирует ток проводимости:•е•Jпров = Jдиф•h+ Jдиф·Таким образом, стационарное состояние р - n перехода характеризуется наличием двойного слоя зарядов, суммарный ток равен нулю . Еслирассмотреть зависимость потенциальной энергии электрона (это ключевая характеристика р - n перехода) от координаты, то, получается,что при проходе электрона через п-область справа налево вдали отобласти пространствеиного заряда, где поля нет (заряды двойного слоякомпенсируют друг друга), энергия электрона остается постоянной(Ие =О, рис . 5.6, д). А при переходе через область пространствеиногозаряда надо совершать работу против поля Е и потенциальная энергияэлектрона возрастает (возникает потенциальный барьер, рис.5.6,д).В стационарном состоянии, из-за наличия этого потенциального барьера, электроны, которых много справа от области пространствеиногозаряда, не переходят в р-область, и во внешней цепи нет тока.
Еслиприложить внешнее напряжение нужного знака (плюс к р-области) , тоnотенциальный барьер уменьшается (рис . 5.6, д, штриховая линия) и,благодаря этому, возникает дисбаланс токов: диффузионный электронный ток возрастает (происходит инжекция электронов в р-область),ток проводимости уже не компенсирует диффузионный ток, и в цепивозникнет электронный ток. Одновременно то же самое происходити с дырками,так что ток через открытый внешнимнапряжениемдиод переносят как электроны, так и дырки. Если же поменять знакивнешнего напряжения, тор- n-переход заперт (рис .5.6,д, пунктир).Таков принцип работы р- n перехода.Транзистор - это два последовательно соединенных р-На рис.5.7n тран- n- рпространеиная схемаn-рзистора,можновзятьирсистему.
Левая n-область на рис .называетсяколлектором,эмиттером, а средняя-(n-р и р-различныхn)n +--++-праваябазой.На .. стыке+-а5.7п-областьр-областьnперехода.показава наиболее рас-областей-р1f - токJитокJбэмиттерколлектортранзистора так же++ n++возникают двойные объемные заряды. В стационарном состоянии токачерез транзистор нет (из-за потенциальных барьеров для электронови дырок!) . При подаче управляющего напряжения нужного знака (нарис . 5. 7 к р-области приложен о напряжение ИО) барьеры уменьша->Рис.
5. 7.Биполярный n - р - . nтранзистор (а) . Изображение n--р- nсхеметранзистора в электронной(6) .И-управляющее на-пряжение, подводимое к базе.Гл.865.р- nпереход и Физическая реализация битовются и через транзистор течет ток. Если же на рис.И5.7напряжение= О, то ток равен нулю.Заканчивая обсуждение работы полупроводникового транзистора,поставим следующий вопрос. Почему и при каких условиях можноописывать перенос заряда в транзисторе (в общем случае - в полупроводниках и металлах) классически - в терминах диффузионноготока и тока проводимости? Ведь электроны и дырки в полупроводнике являются квантовыми микрочастицами, обладающими типичноквантовымзонным энергетическим спектром.
Ответ на этот вопрос-связан с так называемым явлением декогеренции-потери квантовымобъектом своих квантовых свойств благодаря случайным воздействиям окружения-системы с макроскопически большим числом степенейсвободы (например, порядка числа Авогадро 1023 см- 3 ) (см. п. 8.2) .В идеальной кристаллической решетке электрон (или дырка) находится в стационарном квантовом состоянии с блоховекай волновойфункцией'1/Jk (r)= Ak (r) ехр (ikr) (формула (4.16)) н движется безрассеяния с квазиимпульсомhk.Нарушение периодичности решеткиблагодаря флуктуации электронной плотности, смещения атомов решетки из положения равновесия, наличие примесей и дефектов приводит к рассеянию ' электронов.
В единичном акте упругого столкновенияирассеянияnk,носителязарядаизменяетсянаправлениеегоимпульсаа его энергия не изменяется (т.е. носитель остается на том жеэнергетическом уровне в той же зоне, что и до рассеяния). Если такиерассеивающиестолкновенияпроисходят достаточночасто,тодвижение электрона и дырки приобретает характер классической диффузии(случайных скачков в пространстве). Частичная потеря носителем своих квантовых свойств происходит на характерном времени релаксацииквазиимпульса электрона т.
Это характерное для данного процессавремя можно назвать также временем декогеренции (потери квантовойкогерентности) и ввести универсальное обозначение для этого времениТ2. Благодаря декогеренции, на временах tТ2, электрон и дыркаведут себя в процессе переноса заряда как классические заряженные частицы. С другой стороны они сохраняют квантовый характерв отношении своего энергетического зонного спектра. Классиче>ское описание явлений переноса заряда в транзисторе возможно придостаточно малых характерных временах Т2 , когда длина свободного=пробега носителя leT2ve, где Ve - тепловая скорость электрона,много меньше характерных масштабов процесса или системы (длиныдиффузии носителя, размера нанакристалла и других).Явление декогеренции квантовой сист€'~Ы благодаря взаимодействию с окружением носит универсальный характер. В различныхквантовых устройствах, выполняющих различные функции, декогеренция может играть как деструктивную, так и конструктивную роль.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
