- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 3
- •1.Волновая оптика
- •1.1.Световой вектор. Уравнение плоской световой волны
- •1.2. Интерференция световых волн. Условия, необходимые для осуществления интерференции
- •1.3.Условия максимумов и минимумов при интерференции световых волн
- •1.4.Интерференция в тонких пленках
- •1.5. Кольца Ньютона
- •Контрольные вопросы
- •Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция от одной щели.
- •Дифракция на одномерной дифракционной решётке
- •Угловая дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки
- •Угловая дисперсия равна:
- •Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке
- •Поглощение света
- •Поляризация света. Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация при отражении и преломлении
- •Двойное лучепpеломление. Поляpизационные пpизмы и поляpоиды. Явление дихpоизма
- •Вpащение плоскости поляpизации. Искуственная оптическая анизотpопия. Эффект Кеppа и его пpименение
- •1.Явления квантовой оптики
- •1.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа
- •1.2.Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина
- •1.3.Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка
- •1.4.Оптическая пирометрия
- •1.5.Квантовая природа света. Фотон и его характеристики.
- •1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.
- •1.7. Эффект Комптона
- •1.8. Коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света
- •1.9. Контрольные вопросы и задачи к разделу «Явления квантовой оптики»
- •2.Элементы квантовой механики
- •2.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •2.2. Соотношение неопределенностей
- •Волновая функция
- •Уравнение Шредингера
- •2.5.Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •Понятие о туннельном эффекте
- •1. Автоэлектронная (холодная) эмиссия электронов
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Здесь и совпадает с формулой радиуса первой боровской орбиты; численное значение этого параметра равно;a – множитель, который можно определить из условия нормировки волновой функции:
- •2.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •2.11. Спектр атома водорода
- •2.12. Распpеделение электpонов в атоме по энеpгетическим состояниям. Пеpиодическая система элементов д.И.Менделеева
- •2.13. Рентгеновское излучение
- •2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •2.15. Лазеры
- •1. Инверсия населенностей
- •2. 16. Способы создания инверсии населенностей
- •2.17. Положительная обратная связь. Резонатор
- •2.18. Принципиальная схема лазера
- •2.17. Линейный гаpмонический осциллятоp
- •3.6. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников
- •Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников
- •4.Зонная теория твёрдых тел
- •4.1. Энергетические зоны электронов в кристалле
- •4.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики в зонной теории твёрдых тел
- •4.3.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников
- •4.4. Примесная проводимость полупроводников
- •4.5. Равновесные концентрации носителей заряда в полупроводнике
- •4.6. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Электронно-дырочный переход
- •Внутренний фотоэффект
- •Воздействие излучения на полупроводник. Фоторезистивный эффект
- •Устройство и характеристики фоторезисторов
- •Применение фоторезисторов
- •Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.
- •Применение вентильного фотоэффекта
- •Биполярный транзистор
- •Состав и характеристики атомного ядра
- •Характеристики атомного ядра
- •Ядерные силы
- •Понятие об обменном характере ядерных сил. Кванты ядерного поля
- •Радиоактивность
- •Ядерные реакции
- •Деление атомных ядер
- •Элементарные частицы
- •2 Кристаллические решетки твердых тел представляют собой периодические структуры и являются естественными трехмерными дифракционными решетками.
Электронно-дырочный переход
Область монокристаллического полупроводника, в которой происходит смена проводимости с электронной на дырочную называется электронно-дырочный переходом(илир-n–переходом). Такой переход образуетсяв единомполупроводниковом кристалле, одна часть которого легирована акцепторный примесью (p-область), а другая донорной (n-область).
На рис. приведено распределение концентрации примесей в областир-n–перехода.
На границе раздела p- иn- областей образуются большие градиенты концентраций электронов и дырок и возникают встречные диффузионные потоки:
электронов из n- вp-область,
дырок – из p-области вn-область.
В пограничной области электроны рекомбинируют с дырками. В результате остаются электрически нескомпенсированными заряженные ионы акцепторной и донорной примеси(рис. ).
На рис. обозначены:
- доноры, - акцепторы,
- электроны, - дырки. Неосновные носители заряда не показаны.
Создаются области неподвижных объёмных зарядовр и n , и возникает контактное (диффузионное) электрическое поле, вектор напряжённости которого направлен от n- к р-области. Это поле препятствует переходу основных носителей через контакт. Для неосновных носителей оно является ускоряющим. Область = р +n обеднена носителями тока и обладает большим электрическим сопротивлением. Она и является р-n–переходом.
Контактное) электрическое полеприводит к изгибу энергетических зон полупроводника в областир-n–перехода (рис.). Уровень Ферми устанавливается (при отсутствии внешнего поля) на одинаковой высоте вp-иn-областях. Для основных носителей возникает потенциальный барьер, высотой(- заряд электрона,- контактная разность потенциалов).
Получим выражение для вольт-амперной характеристики р-n–перехода.
1. Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение на р-n –переход не подаётся.
В условиях равновесия через р-n–переход проходят только те основные носители, энергия которых больше высоты потенциального барьера. Поток основных носителей представляет собой диффузионный ток Iдифф . Одновременно черезр-n–переход под действием ускоряющего контактного полядвижутся неосновные носители. Они создают дрейфовый токIдр. Эти токи направлены противоположно друг другу:Iдифф Iдр.При равновесии они равны по величине:Iдифф = Iдр= I0 . Общий ток через р-n–переход равен нулю:I= Iдифф - Iдр= 0.
2.Пусть к р-области присоединён положительный полюс источника тока, а к n-области – отрицательный (рис. ).
Тогда внешнее электрическое поле будет направлено противоположно внутреннему контактному полю. Высота потенциального барьера уменьшится на величину , где- внешнее напряжение. Диффузионный ток (ток основных носителей) увеличится и станет равным:
. ()
Ток неосновных носителей (ток дрейфа ) останется без изменения. Суммарный ток черезр-n–переход равен:
или . ()
Такое включение р-n–перехода называетсяпрямым. При прямом включении ширина области объёмного заряда уменьшается. Сопротивление перехода мало и уменьшается и с ростом приложенного напряжения.
3.Пусть к р-области присоединён отрицательный полюс источника тока, а к n-области – положительный(рис. ).
Тогда внешнее электрическое поле будет совпадать по направлению с внутренним контактным полем. Высота потенциального барьера увеличится на величину, где- модуль внешнего напряжения. Диффузионный ток (ток основных носителей) уменьшится и станет равным:
. ()
Ток неосновных носителей (ток дрейфа ) останется без изменения. Суммарный ток черезр-n–переход равен:
или . ()
Такое включение р-n–перехода называетсяобратным. При обратном включении ширина области объёмного заряда увеличивается. Сопротивление перехода велико и увеличивается с ростом приложенного напряжения.
При достаточно больших обратных напряжениях (В) , тогда . Это означает, что че резр-n–переход течёт только очень малый дрейфовый ток неосновных носителей; его называютобратным током.
Уравнение вольтамперной характеристики р-n–перехода имеет вид:
. ()
В этом выражении:
- напряжение, подаваемое нар-n–переход.при прямом включении;при обратном включении.
- значение, к которому стремится обратный ток при увеличении обратного напряжения.
На рисунке приведена вольт-амперная характеристика р-n–перехода.
При прямом включении p-n-перехода ток очень быстро возрастает с увеличением приложенного напряжения (экспоненциальная зависимость, участок 1).
При подаче обратного напряжения ток сначала увеличивается с увеличением напряжения. Но уже при небольшом напряжении все неосновные носители, образующиеся на расстоянии меньшем их диффузионной длины будут втягиваться в переход, и дальнейшее увеличение обратного напряжения не вызовет роста обратного тока: наступает насыщение(участок 2). Обратный ток при этом равен .
При очень больших обратных напряжениях наступаетпробой перехода, ток резко возрастает (участок 3). Участок пробоя уравнением () не описывается.
Из вышеизложенного следует, что р-n–переход обладает свойствомодносторонней проводимости: имеет очень малое сопротивление при прямом включении и очень большое сопротивление при обратном включении. Это свойство позволяет использоватьр-n–переход для выпрямления переменного тока. Полупроводниковые приборы с однимр-n–переходом называютсядиодами.
Участок пробоя вольт-амперной характеристики используется для стабилизации постоянного напряжения. Диоды, предназначенные для стабилизации напряжения, называются стабилитронами. В приборах, называемыхварикапами, используется барьерная ёмкостьp-n-перехода. Управление ёмкостью варикапа осуществляется путём изменения напряжения.
Контрольные вопросы
В чём состоит смысл понятия: p-n-переход?
Какие заряды создают контактное электрическое поле в области p-n-перехода?
В p-n-переходе существует электрическое поле. Объясните, почему при отсутствии внешнего источника напряжения в цепи не идёт ток?
Какое включение p-n-перехода называют прямым, а какое обратным?
Почему сопротивление p-n-перехода, включённого в прямом направлении, намного меньше сопротивления того же перехода, включённого в обратном направлении?
Влияет ли температура на величину тока насыщения, а если влияет, то как?
Назовите полупроводниковые приборы с одним p-n-переходом. Для чего они используются?