- •1. Уровни энергии электронов в кристалле.
- •2. Тепловая генерация электронно-дырочных пар
- •3. Энергия электронов в кристалле полупроводника
- •4. Проводимость полупроводников
- •5. Примесные полупроводники
- •6. Понятие о фононах
- •1. Концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике
- •2. Концентрация носителей заряда
- •3. Электропроводность полупроводников
- •4. Эффект Холла
- •1. Собственное поглощение света при прямых переходах
- •2. Собственное поглощение света при непрямых переходах
- •3. Примесное поглощение света
- •4. Равновесные и неравновесные носители заряда
- •5. Механизмы рекомбинации
- •6. Поверхностная рекомбинация
- •7. Релаксация неравновесных носителей заряда
- •8. Фотопроводимость
- •1. Электронно-дырочный переход
- •2. Равновесное состояние р-n-перехода
- •3. Контактная разность потенциалов
- •4. Толщина р-n-перехода
- •5. Токи в равновесном р-n-переходе
- •8. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода
- •9. Барьерная емкость р-n-перехода
- •10. Пробой р-n-перехода
- •1. Вырожденные полупроводники
- •2. Неравновесные носители заряда
- •3. Излучательная рекомбинация
- •4. Прямые и непрямые переходы
- •5. Поглощение и усиление света в полупроводниках
- •6. Принцип действия полупроводникового квантового генератора
- •7. Инжекционные полупроводниковый квантовый генератор
- •8. Зависимость мощности оптического
- •9.Спектр излучения
- •10. Расходимость излучения
5. Токи в равновесном р-n-переходе
В равновесном состоянии через р-n-переход протекают токи, вызванные движением основных и неосновных носителей заряда (рис.3.3.а). Ток с плотностью jnpсвязан с потокомnn→p;jрn-pp→n;jns-np→n; jps-pn→p, причемjnp=jns иjрn= jps. Как уже отмечалось, сумма всех токов через р-n-переход в состоянии равновесия равна нулю.
Плотность токов, связанных с неосновными носителями jns и jps можно определить следующим образом.
Выделим на левой границе 1 р-n-перехода (рис.3.3.б) единичную площадку S и построим на ней цилиндр с образующей Ln, где Ln– диффузионная длина электронов в р-области. Диффузионная длина представляет собой среднее расстояние, на которое диффундирует носитель за время своей жизни τ. Поэтому электроны, появившиеся в выделенном цилиндре в результате тепловой генерации, доходят до границы 1 р-n-перехода, где они подхватываются контактной разностью потенциалов и перебрасываются в n-область. Скорость генерации электронов в условиях теплового равновесия равна ско-рости их рекомбинации, поэтому npo= const. Следовательно, число электронов, появляющихся в единицу времени в единице объема в р-области, равно npo. В выделенном объеме Lnпоявляются, таким образом,Lnnpo/ τnэлектронов в секунду. Они доходят до единичной площадки и перебрасываются в n-область, образуя ток плотности
jns = q(Ln/τn)npo.
Подобные рассуждения для дырок n-области приводят к соотношению
jрs=q(Lр/τр)рno.
Следовательно, для равновесного р-n-перехода можно записать
jnp=jns=q(Ln/τn)npo;jpn=jрs=q(Lр/τр)рno (3.7)
Видно, что плотность тока неосновных носителей заряда определяется их концентрацией, диффузионной длиной, временем жизни и не зависит от контактной разности потенциала.
6. Р-n-переход при прямом смещении
При приложении к р-n-переходу внешней разности потенциалов или внешнего смещения происходит нарушение его равновесного состояния и изменение токов, протекающих через переход. Смещение, при котором плюс источника напряжения прикладывается к n-области, а минус к р-области, т.е. направление внешнего смещения V совпадает с направле-нием контактной разности потенциалов Vk, называется обратным. Смещение, противоположное по направлению Vk, называется прямым.
Приложим к р-n-переходу прямое смещение V, под действием которого уровень Ферми в n-области сместится вверх относительно уровня Ферми в р-области на величину qV и, соответственно, высоте потенциального барьера уменьшится на qV по сравнению с равновесным состоянием. Это приведет к увеличению потока основных носителей заряда по сравнению с равновесным состоянием, так как большее количество электронов из n-области будет переходить в р-область, и большее количество дырок из р-области – в n-область. Поток же неосновных носителей заряда останется неизменным (рис.3.4.а). В ре-зультате этого, например, n-области появятся дополнительные носители Δр, которые в первый момент вблизи контакта создадут положительный объемный заряд. Однако через очень короткое время этот заряд будет скомпенсирован объемным зарядом основных носителей – электронов, которые в количестве Δn будут подтянуты из глубины n-области, а в n-область электроны поступят из внешней цепи. Таким образом в приконтактной к р-n-переходу части n-области концентрация дырок будет повышена на величину Δр по сравнению с равновесным состоянием. Аналогично будет повышена на Δn концентрация электронов в приконтактной части р-области (рис.3.5). Для нахождения стационарных концентраций дырок рn = pno + Δр и электронов np = npo + Δn в (3.4) и (3.5) следует вместо Vk подставить значение Vk – V. Тогда
pn=ppoexp[-q(Vk –V)/kT];np=nnoexp[-q(Vk–V)/kT];
Отношения
pn/pno=exp(qV/kT);np/npo=exp(qV/kT) (3.8)
показывают, что в смещенном в прямом направлении р-n-переходе кон-центрация неосновных носителей в приконтактной области возрастает в exp(qV/kT) раз, что связано с соответствующим увеличением плотности токов. Поэтому на основании (3.?) и (3.8) можно записать
=jnsexp(qV/kT) =q(Ln/τn)npoexp(qV/kT); (3.8)
=jpsexp(qV/kT) =q(Lp/τp)pnoexp(qV/kT). (3.10)
Так как плотности токов неосновных носителей jnsи jpsне зависят от величины потенциального барьера р-n-перехода, то полный ток, текущий через р-n-переход, будет равен уже не нулю, а
=q[(Ln/τn)npo+ (Lp/τp)pno][exp(qV/kT) – 1] =js[exp(qv/kT) – 1], (3.11)
где js– плотность тока насыщения. Ток jпрназывают прямым, так как он отвечает внешней разности потенциалов V. Приложенной в прямом направлении.
7. Р-n-переход при обратном смещении
При приложении к р-n-переходу обратного смещения V < 0 потенциальный барьер перехода для основных носителей увеличивается на величину qV (рис.3.4.б). Это вызовет уменьшение в exp(qV/kT) раз потока основных носителей nn→p иpp→nи плотностей токов jnp и jpn, отвечающих этим потокам. По аналогии с (3.8) – (3.10) плотность полного тока через р-n –переход равна
jоб = js[exp(qV/kT) – 1]; (3.12)
этот ток называют обратным.