Учебное пособие 800299
.pdfЗависимость тока через р-n переход от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой
(рис. 18).
Уравнение этой характеристики имеет такой вид
J J0(e |
eV |
1), |
(21) |
кТ |
где V – внешнее напряжение, приложенное к р-n- переходу с учетом знака, J0 – значение, к которому стремится обратный ток при увеличении обратного напряжения.
Рис. 18
p-n переход обладает практически односторонней проводимостью, проявляя высокие выпрямляющие свойства. Поэто-
му p-n переход является основой полупроводниковых диодов.
Диоды принято характеризовать коэффициентом выпрямления - отношением прямого тока к обратному при ± V = const. Эта величина может достигать значений ~ 109 . С ростом температуры выпрямляющая способность p-n перехода уменьшается и при некоторой температуре исчезает совсем. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей определяется кон-
29
центрацией примесей и от температуры практически не зависит, а концентрация неосновных носителей резко увеличивается с повышением температуры. Таким образом, при нагревании можно достичь такой температуры, при которой концентрация неосновных носителей станет равной концентрации основных и потенциальный барьер исчезнет.
9.Светодиоды
Вполупроводниках возможен процесс испускания света
врезультате 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).
Вместе p-n перехода существует потенциальный барьер Е, 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 рекомби-
нации электронно-дырочных пар в области p-n перехода и наблюдается испускание света. Энергия фотона, излучаемого полупроводниковым диодом, равна:
hν = ΔE = eU0 |
(22) |
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.
30
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 искаже-
ний преобразуют электрические импульсы в световые. Это ис-
пользуется для неэлектрических связей между различными блоками автоматики и ЭВМ.
10. Фотопроводимость полупроводников
Электрическая проводимость полупроводников, возбуждённая электромагнитным излучением, называется фотопро-
водимостью.
Фотопроводимость обусловлена внутренним фотоэффектом. В полупроводнике под влиянием света образуются дополнительные неравновесные носители тока. Общая удельная электрическая проводимость полупроводника
0 |
ф , |
(23) |
где 0 – темновая удельная |
электрическая |
проводимость, |
ф – удельная электрическая фотопроводимость.
На рис. 19, а показана схема образования электрона фотопроводимости и дырки у собственного беспримесного полупроводника. Фотон с энергией h , равной или большей ширины запрещённой зоны E , 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 по-
лупроводника.
Удельная электрическая проводимость
ф еnoc [uэ э |
uд д ] , |
(24) |
31
где noc – число пар неравновесных носителей – электронов и
дырок, |
генерируемых в единице объёма полупроводника |
|
за 1 с; |
э и |
д – средние времена жизни этих носителей. |
На рис. 19, б, в показано, как создаются носители тока под действием света в примесных донорных (б) и акцепторных (в) полупроводниках.
В этих случаях фотон с энергией h , 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.
а) |
б) |
в) |
|
Рис. 19 |
|
Требование к энергии фотона h E, где E – энергия активации соответствующей проводимости, означает, что су-
ществует красная граница внутреннего фотоэффекта, кото-
рая определяется из условия h кр E . Переходя от частоты к длине волны, получим
h c
кр |
|
. |
(25) |
E |
Для собственной фотопроводимости полупроводника приE 2 эВ, кр 600нм. Это соответствует жёлтому свету.
Видимый и ультрафиолетовый свет может вызвать фотопро-
32
водимость не только полупроводников, но и диэлектриков, у которых E 2 эВ.
У примесных полупроводников энергия активации про-
водимости E ~ 0,01 0,1 эВ и |
|
кр |
~10 5 |
10 4 м, что соот- |
|
|
|
|
ветствует инфракрасной области спектра.
Зависимость фотопроводимости полупроводников от освещённости используется в фоторезисторах (фотосопротивлениях).
Характеристикой фотосопротивления является его све-
товая чувствительность dJ (мА/лм) – изменение силы тока dФ
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.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Савельев И. В. Курс общей физики : в 3 т.т. т. 3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. / И. В. Савельев. 7-ое изд., стер.– СПб: Издательство «Лань», 2007. – 320 с.
2.Детлаф А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, Б. М. Явор-
ский. – М. : Высш. шк., 2000. – 718 с.
3.Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М. :
Высш. шк., 2003. – 542 с.
4.Нерсесов Э. А. Основные законы атомной и ядерной физики / Э. А. Нерсесов. – М. : Высш. шк., 1988. – 289 с.
5.Епифанов Г. И. Физика твердого тела: учебное пособие, 4-е изд., стер. / Г. И. Епифанов. – СПб: Издательство «Лань», 2011. – 288 с.
6.Бушманов Б. Н. Физика твердого тела / Б. Н. Бушманов,
Ю. А. Хромов. – М. : Высш. шк., 1971. – 223 с.
33
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………….. 1
ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА……………….. 2
1.Энергетические уровни свободных атомов………….. 2
2.Некоторые сведения из квантовой статистики………. 4
3.Вырожденный электронный газ в металлах…………. 6
4.Энергетическая структура твердых тел………………. 9
5.Металлы, полупроводники, диэлектрики…………….. 13
6.Собственная проводимость полупроводников……………. 15
7. Примесная проводимость полупроводников……………… 19
8.Контакт электронного и дырочного
полупроводников (р-n - переход)…………………………... 24
9.Светодиоды…………………………………………………… 30
10.Фотопроводимость полупроводников……………………… 31 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………. 33
34
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к изучению темы «Полупроводники» в спецглавах физики
для студентов всех технических направлений и специальностей всех форм обучения
Составители: Агапитова Наталья Валерьевна, Бугаков Александр Викторович
В авторской редакции
Компьютерный набор А.В. Бугакова
Подписано к изданию 17.10.2016.
Уч.- изд. л. 2.1
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
394026 Воронеж, Московский просп., 14