- •Теоретический минимум к лабораторному практикуму по физике твердого тела
- •1. Элементы квантовой механики
- •1.1. Гипотеза де Бройля. Волновые свойства вещества
- •1.2. Соотношение неопределенностей
- •1.3. Уравнение Шрёдингера
- •1.4. Смысл пси-функции
- •Туннельный эффект
- •1.6. Состояние электрона в атоме. Квантовые числа
- •1.7. Принцип Паули
- •2. Элементы квантовой статистики
- •2.1. Некоторые сведения из квантовой статистики
- •2.2. Вырожденный электронный газ в металлах
- •3. Элементы физики твердого тела
- •3.1. Понятие о зонной теории твердых тел
- •3.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики
- •3.3. Собственная проводимость полупроводников
- •3.4. Примесная проводимость полупроводников
- •3.5. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n переход)
- •3.6. Светодиоды
- •3.7. Фотопроводимость полупроводников
- •Библиографический список
- •Теоретический минимум к лабораторному практикуму по физике твердого тела
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
3.6. Светодиоды
В полупроводниках возможен процесс испускания света в результате перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону и его рекомбинации с дыркой. Это явление с энергетической точки зрения является обратным явлению внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.
Для получения достаточного числа рекомбинирующих пар «электрон-дырка» используется контакт полупроводников с электронной и дырочной проводимостью, т.е. p-n переход (диод).
В месте p-n перехода существует потенциальный барьер ΔЕ, который является препятствием для перехода электронов и дырок. При подаче прямого напряжения U0 электроны и дырки начинают интенсивно проходить через область p-n перехода. В этом случае создаются благоприятные условия для рекомбинации электронно-дырочных пар в области p-n перехода и наблюдается испускание света. Энергия фотона, излучаемого полупроводниковым диодом, равна:
hν=ΔE=eU0 (3.17)
Излучение светодиодов не тепловое, поэтому его спектральное распределение намного уже, чем спектральное излучение черного тела, к которому близок спектр лампы накаливания.
Ширина спектра излучения светодиодов зависит от ширины запрещенной зоны, энергии активации примесей.
Выбирая полупроводник и регулируя его примесный состав, можно получить излучение в нужном диапазоне волн.
Взаимодействие электронов и дырок между собой, с примесями и фотонами приводит к уширению спектра, в особенности, в его длинноволновой части.
Светодиоды практически безинерционны и без искажений преобразуют электрические импульсы в световые. Это используется для неэлектрических связей между различными блоками автоматики и ЭВМ.
3.7. Фотопроводимость полупроводников
Электрическая проводимость полупроводников, возбуждённая электромагнитным излучением, называется фотопроводимостью.
Фотопроводимость обусловлена внутренним фотоэффектом. В полупроводнике под влиянием света образуются дополнительные неравновесные носители тока. Общая удельная электрическая проводимость полупроводника
, (3.18)
где – темновая удельная электрическая проводимость, – удельная электрическая фотопроводимость.
На рис. 3.18, а показана схема образования электрона фотопроводимости и дырки у собственного беспримесного полупроводника. Фотон с энергией , равной или большей ширины запрещённой зоны , переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости. При этом образуется пара – электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Они участвуют в создании собственной фотопроводимости полупроводника.
Удельная электрическая проводимость
, (3.19)
где – число пар неравновесных носителей – электронов и дырок, генерируемых в единице объёма полупроводника за 1 с; и – средние времена жизни этих носителей.
На рис. 3.18, б, в показано, как создаются носители тока под действием света в примесных донорных (б) и акцепторных (в) полупроводниках.
|
|
|
а) |
б) |
в) |
Рис. 3.18 |
В этих случаях фотон с энергией , не меньшей энергии активации примесной проводимости, либо переводит электрон с донорного уровня в зону проводимости, либо из валентной зоны переводит электрон на акцепторный примесный уровень. Требование к энергии фотона , где – энергия активации соответствующей проводимости, означает, что существует красная граница внутреннего фотоэффекта, которая определяется из условия . Переходя от частоты к длине волны, получим
. (3.20)
Для собственной фотопроводимости полупроводника при эВ, нм. Это соответствует жёлтому свету. Видимый и ультрафиолетовый свет может вызвать фотопроводимость не только полупроводников, но и диэлектриков, у которых эВ.
У примесных полупроводников энергия активации проводимости эВ и м, что соответствует инфракрасной области спектра.
Зависимость фотопроводимости полупроводников от освещённости используется в фоторезисторах (фотосопротивлениях).
Характеристикой фотосопротивления является его световая чувствительность (мА/лм) – изменение силы тока при изменении светового потока на 1 лм. У фотосопротивлений световая чувствительность выше, чем у вакуумных фотоэлементов, основанных на внешнем фотоэффекте. Например, у фоторезистора CdSe световая чувствительность ~ 1200 мА/лм; она в 105 раз больше, чем у вакуумных фотоэлементов.