шаховой_юзюк_квантовая и оптоэлектроника

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

называется диффузией, а электрический ток, возникший под влиянием диффузии – диффузионным током. Заметим сразу, что диффузионный ток может возникнуть не только в результате нагревания, но также, например, в результате освещения отдельной области образца.

Давайте поговорим подробнее о движении носителей (например, электронов) в кристалле под действием электрического поля. Будем пользоваться в наших рассуждениях классическими представлениями. Кроме того, для простоты будем считать, что на электрон в кристалле не действуют никакие поля.

Пусть к полупроводнику приложено электрическое поле . В электрическом поле на электрон действует сила , где – заряд электрона. Под действием этой силы носитель движется

вдоль поля с ускорением , где – масса электрона1. Если носитель движется без столкновений, то через время его скорость в направлении поля будет равна . Однако в

кристалле, как мы уже предположили, свободные электроны должны очень часто испытывать столкновения с узлами кристаллической решетки. После столкновения электрон может двигаться, вообще говоря, в любом направлении, поэтому скорость направленного движения электрона после столкновения будем считать равной нулю.

Пусть среднее время между двумя последовательными столкновениями равняется . В действительности время между столкновениями может быть как меньше, так и больше . Максимальная скорость, которую приобретет электрон за время , равна . Если считать, что начальная скорость электрона была равна нулю, то его средняя скорость будет равна . Величина на-

зывается дрейфовой скоростью носителя :

(I.1)

Таким образом, средняя дрейфовая скорость пропорциональна напряженности поля . Коэффициент пропорциональности

(I.2)

называется подвижностью носителя.

Величина подвижности свободных носителей, электронов и дырок, является очень важной характеристикой полупроводников. Величина подвижности позволяет судить о степени чистоты полупроводникового кристалла, о совершенстве его структуры и о характере взаимодействия свободных носителей с кристаллической решеткой.

Итак, мы считаем, что свободные носители очень часто сталкиваются с узлами решетки. Логично предположить, что длина свободного пробега электрона, т.е. расстояние между двумя последующими столкновениями, равна примерно межатомному расстоянию. Однако на практике оказывается, что если полупроводник (кремний) предельно чистый, а его температура гораздо ни-

Как объяснить такие чудеса? Вообще говоря, никак, если опираться на классическое представление о том, что электрон – это частица. Вот если бы электрон был волной… Еще в 1923 году французский физик Луи де Бройль высказал идею о том, что материальные частицы должны обладать волновыми свойствами. С тем, что электромагнитная волна (свет) является одновременно и потоком частиц, согласились давно – в физике этот постулат известен как корпускулярно-волновой дуализм. После предположения де Бройля и последующего развития квантовой механики не ост а- лось никаких сомнений о том, что электрон действительно обладает свойствами волны.

Как известно, любая волна (звуковая, световая, радиоволна) может распространяться, не отражаясь, в среде, содержащей рассеивающие центры. Однако главное условие беспрепятственного распространения волны в такой среде состоит в том, что эти центры должны быть расположены в виде идеальной периодической решетки. Решетка чистого полупроводникового кристалла при низкой температуре удовлетворяет этому требованию. Именно поэтому длина свободного пробега электрона в кристалле при соответствующих условиях составляет такую «неправдоподобную» величину.

1 Вообще говоря, электрон в кристалле обладает эффективной массой , но так как мы условились считать, ч то на него не действуют никакие по ля (хо тя, э то, конечно же, не так), то мы также считаем, что

.

11

На пути в эру нанотехнологий…

Если кристалл содержит примеси, электронная волна будет рассеиваться на них , и среднее время между двумя актами рассеяния (между двумя столкновениями) будет определяться концентрацией примеси. Такое рассеяние называют примесным. Так же будет обстоять дело, если в кристалле содержатся какие-либо структурные несовершенства, пустые места в узлах кристаллической решетки и т. д. Если температура кристалла отлична от нуля, атомы, составляющие решетку кристалла, хаотически колеблются и в любой момент времени некоторые атомы будут нахо-

диться ближе друг к другу, чем это было в идеальной решетке при K, а некоторые – дальше друг от друга. Идеальная периодичность нарушится. Возникнет рассеяние на колеблющихся атомах решетки (так называемое рассеяние на колебаниях решетки). Это рассеяние будет, естественно, тем сильнее, чем выше температура, т. е. чем больше будет амплитуда колебаний. Рассеянием электронов на колебаниях решетки объясняется также электрическое сопротивление металлов, которое, как известно, растет с увеличением температуры. Теплота, выделяющаяся при протекании электрического тока через проводник (джоулево тепло), объясняется тем, что электроны, сталкивающиеся с атомами кристаллической решетки, передают им энергию своего движения – проводник нагревается.

Рис. I.9. Основные э лектронные перехо ды при поглощении света в полупроводниках.

Рассуждения, высказанные в пользу волновой природы электрона, ставят под сомнение возможность использования формул (I.1) и (I.2). Однако оказывается, что эти формулы использо-

вать можно, если вместо массы электрона подставить некоторую величину . Эта величина называется эффективной массой.

До этого момента мы предполагали, что на электрон в кристалле не действуют никакие поля. На самом деле, как Вы понимаете, это совсем не так. Любой электрон, находясь в кристалле, находится в сложном поле, создаваемом узлами кристаллической решетки и свободными электронами, которые движутся между ними. Как учесть все это взаимодействие? Здесь на помощь приходит эффективная масса. Если электрону в кристалле вместо массы приписать эффективную

массу, то можно считать, что он как бы движется в пустоте по действием внешнего поля. Другими словами, электрон в поле решетки движется под действием внешней силы в среднем так, как

двигался бы электрон под действием этой силы в пустоте, если бы он обладал массой . Эффективная масса может быть как больше, так и меньше обычной массы электрона. Более того, может быть и отрицательной величиной. Так, расчеты показывают, что эффективная масса электрона в зоне проводимости всегда положительна, а в валентной зоне – отрицательна.

Самый простой фотоприемник

Поглощение света в полупроводниках

Когда свет проходит через вещество, его интенсивность уменьшается. Уменьшение интенсивности происходит за счет поглощения фотонов атомами. Энергия таких фотонов идет на увеличение энергии теплового движения атомов (на нагревание вещества) или на увеличение энергии электронов. Для нас интерес представляет именно второй вид поглощения.

В школе достаточно подробно разбиралось такое явление, как внешний фотоэффект, который протекает за счет выбивания светом электронов с поверхности вещества. Если в результате облучения светом свободные электроны остаются внутри кристалла, увеличивая электропроводность образца, то такое явление называют внутренним фотоэффектом. Качественно внутренний и внешний фотоэффект очень похожи. Фотон, сталкиваясь с электроном в атоме, может отдать свою энергию этому электрону, исчезнув при этом. Если энергия фотона была достаточно боль-

12

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

шой, то электрон может преодолеть силу притяжения атомного ядра и сделаться свободным. В случае внешнего фотоэффекта этот электрон вылетает за пределы кристалла, а в случае внутре н- него – остается в кристалле. Носители, образовавшиеся в результате внутреннего фотоэффекта, называют неравновесными. Действительно, как только освещение кристалла прекратится, неравновесные дырки и электроны начнут рекомбинировать до тех пор, пока в кристалле не останутся только равновесные носители.

Следует заметить, что в общем случае при поглощении света электрон не всегда может стать свободным. На рис. I.9 показаны некоторые из возможных переходов электронов в полупроводниковом кристалле под действием света. Если энергия фотона больше ширины запрещенной зоны, то электрон из валентной зоны может перейти в зону проводимости. Этот переход обозначен 1 и соответствует рождению электронно-дырочной пары. Если энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны, то переход 1 уже невозможен; могут происходить переходы с примесных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на примесные уровни (переходы 2 и 3 соответственно). Все эти три перехода изменяют электропроводность кристалла: при переходе 1 появляется электрон и дырка, при переходе 2 – электрон, при переходе 3 – дырка. Переход 4 соответствует поглощению фотона свободным носителем в кристалле. Этот переход не приводят к изменению электропроводности образца. Если в поглощении фотонов участвую только собственные атомы кристалла, то такое поглощение называют собственным (переход 1). Если же в процессе поглощения участвуют примесные атомы, то его называют примесным (переходы 2, 3). При поглощении фотона электроном обязательно должны выполняться законы сохранения энергии и импульса . Как известно из механики, кинетическая энергия частицы массы связана с ее импульсом следующим соотношением:

Мы можем использовать эту зависимость для электрона, энергия которого находится вблизи дна зоны проводимости или вблизи потолка валентной зоны. Причем мы должны помнить, что вместо массы электрона мы пользуемся эффективной массой . Так как зависит квадратично от , то график будет иметь вид параболы (вообще говоря, это справедливо только при малых ). Причем, так как эффективная масса электрона в зоне проводимости больше нуля, то парабола б у-

дет «смотреть» ветвями вверх; в валентной зоне , поэтому парабола рисуется ветвями вниз (сплошная линия на рис. I.10). Из рисунка видно, что минимум энергии в зоне проводимости и ее максимум в валентной зоне достигается при одном и том же значении импульса. Полупроводник, для которого это выполняется, называется прямозонным или полупроводником с прямыми зонами. Такими являются GaAs, CdSe, CdS, ZnS и др. В прямозонных полупроводниках наибольшей вероятностью обладают так называемые прямые переходы (вертикальные стрелки на рис. I.10). Такие переходы электрона происходят без изменения его импульса.

Рис. I.10. Прямой и непрямой межзонный переходы.

Однако далеко не все полупроводники являются прямозонными. В общем случае, зависи-

мость отличается от параболической при больших . При этом может случиться так, что минимумы и максимумы энергии в соответствующих зонах достигаются при разных значениях импульса (пунктирная линия на рис. I.10). Наибольшей вероятностью снова обладают переходы между минимумом и максимумом, однако они уже не являются прямыми (переход 1΄). Непрямой переход происходит с изменением импульса электрона. К материалам с непрямыми зонами относят-

ся, например, Si, Ge, AlAs, SiC и др.

13

На пути в эру нанотехнологий…

Немного забегая вперед, скажем, что обратные переходы электронов – из зоны проводимости в валентную зону – будут излучательными, если переход прямой. В случае непрямого перехода выделяемая энергия будет идти на увеличение внутренней энергии кристалла, т.е. на повышение температуры.

Поглощение света в веществе принято характеризовать так называемым коэффициентом поглощения , который зависит от природы вещества. Пусть на поверхность образца толщиной падает свет, причем на единицу поверхности попадает фотонов (рис. I.11). На глубине количество фотонов будет меньше, так как часть их поглотится. Число прошедших на глубину фотонов определяется из закона поглощения:

.

где

Рис. I.11. К определению коэффициента поглощения α.

Обычно вместо количества фотонов, падающих на поверхность вещества, используют поток излучения :

.

Рис. I.12. Схематическая зависимость коэффициента поглощения в полупроводнике о т энергии фотона .

Если коэффициент поглощения очень мал или образец очень тонкий, то свет, попавший на образец, практически не поглощаясь, проходит через него. Если же образец очень толстый, то световой поток полностью поглощается в нем.

При получим , т.е. коэффициент является величиной, обратной расстоянию, на котором поток уменьшается в раз. Величину называют длиной поглощения света. В слое полупроводника толщиной поглощается примерно потока излучения.

Коэффициент поглощения, вообще говоря, сильно зависит от длины волны (частоты) света, которым облучают вещество. На рис. I.12 приведена схематическая зависимость коэффициента

При малых энергиях фотонов излучение поглощается, в основном, свободными носителями (электронами). Поглощение свободными носителями соответствует переходу 4 на рис. I.9. Естественно, коэффициент поглощения в этом случае будет тем больше, чем больше свободных носителей в кристалле. При увеличении энергии фотонов поглощение света свободными носителями уменьшается (пунктирная линия на рис. I.12). Почему?

14

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Давайте для начала представим, что свободный электрон в кристалле в начальный момент времени покоился, т.е. его кинетическая энергия и начальный импульс были равны нулю. Пусть на

него налетел фотон с энергией . Энергия фотона может быть довольно большой, чего не скажешь о его импульсе, равном ( – скорость света в вакууме). Выходит, что электрон в результа-

те поглощения фотона должен приобрести довольно большую кинетическую энергию, оставив свой импульс практически неизменным. А этого произойти не может, иначе нарушится закон сохранения импульса. Таким образом, электрону нужно где-то «раздобыть» дополнительный импульс. Этим недостающим импульсом может «поделиться» какой-нибудь атом кристаллической решетки. Однако при увеличении энергии фотона электрону придется «заимствовать» у решетки все больший импульс, что сделать достаточно трудно. Поэтому при увеличении энергии фотонов поглощение света свободными носителями уменьшается.

Рис. I.13. Схема наб людения фотопроводимости.

Иначе выглядит зависимость коэффициента поглощения, связанного с межзонными переходами (сплошная линия на рис. I.12). Рассмотрим, например, поглощение света в полупроводнике p-типа. Малых энергий длинноволновых фотонов недостаточно, чтобы перевести электрон куда - либо из валентной зоны. Поэтому для низкочастотных фотонов коэффициент поглощения мал. Но как только энергии фотона хватает, чтобы перевести электрон из валентной зоны на примесный уровень (переход 3), коэффициент поглощения резко увеличивается. Однако при дальнейшем уве-

личении энергии фотонов так же быстро падает.

Следующее увеличение коэффициента поглощения наступает, когда энергии фотона хватает, чтобы перевести электрон с примесного уровня в зону проводимости (переход 2). Наконец, когда энергия фотонов становится равной , коэффициент поглощения очень резко возрас-

тает. Таким образом, свет с частотой практически полностью поглощается полупроводником. Такое интенсивное поглощение, как мы уже говорили, называется собственным. Именно собственное поглощение обычно используют в фотоприемниках.

Мы уже говорили, что внутренний фотоэффект сопровождается появлением новых свободных носителей тока. Процесс поглощения фотона с последующим рождением электрона или дырки (или электрона и дырки) называется фотоактивным. Однако мы с Вами уже знаем, что не всякое поглощение фотона сопровождается появлением новых носителей (переход 4 на рис. I.9). Такое поглощение кванта света называют нефотоактивным. Собственное поглощение всегда является фотоактивным, так как приводит к возникновению электронно-дырочных пар. Примесное поглощение обычно тоже является фотоактивным, но сопровождается возникновением только одного носителя – электрона или дырки – в зависимости от вида примеси.

Пусть на плоскую грань полупроводниковой пластинки падает свет (случай аналогичен примеру, изображенному на рис. I.11). Число квантов , которое поглотится в образце равно разнице между числом фотонов, падающих на образец, и числом фотонов, вышедших из него. Но теперь мы знаем, что не все поглощенные фотоны пойдут на создание свободных электронов и дырок. Отношение числа возникших под действием света электронно-дырочных пар (при собственном поглощении) или числа электронов (дырок) при примесном поглощении к общему числу по-

глощенных квантов называется квантовой эффективностью или внутренним квантовым выхо-

дом. Обозначается эта величина обычно греческой буквой (читается «эта»). Обозначив число фотоактивных поглощений через , можно записать:

15

На пути в эру нанотехнологий…

Если освещать полупроводник светом, энергия фотонов которого больше ширины запрещенной зоны, то поглощение будет фотоактивно, причем практически каждый поглощенный квант даст нам электронно-дырочную пару. Таким образом, квантовый выход при собственном

поглощении всегда приблизительно равен единице: . Если все поглощенные в образце кванты исчезли за счет нефотоактивного процесса поглощения, например, на свободных носителях, то

внутренний квантовый выход равен нулю: . Если энергия кванта очень велика и значительно превышает энергию генерации электрона и дырки, то один такой квант может создать в полупроводниковом кристалле тысячи и даже миллионы электронно-дырочных пар. Так, в кремнии для γ-

излучения !

Давайте теперь проведем следующий мысленный эксперимент. Подсоединим к полупроводниковому кристаллу источник постоянного тока и амперметр (рис. I.13). Если образец не освещен, то амперметр будет регистрировать только так называемый темновой ток. При освещении полупроводника в нем, как мы уже знаем, возникают неравновесные носители, избыточные по отношению к равновесным. Теперь в цепи будет протекать больший, по сравнению с темновым, ток. Этот избыточный ток называют фототоком. Раз при освещении увеличивается сила тока, следовательно, возрастает электропроводность образца. Явление увеличения электропроводности образца при освещении называют фотопроводимостью.

Фоторезистор

Наконец, мы можем перейти к знакомству с самым простым фотоприемником – фоторезистором. Вообще-то, мы уже начали о нем говорить. На рис. I.13 схематически изображен именно этот прибор. Если Вы внимательно прочитали все, что написано выше, то легко сами сможете дать определение фоторезистору – это такой прибор, который изменяет cвою электропроводность (сопротивление) под действием света за счет внутреннего фотоэффекта.

Для определенности будем считать, что наш фоторезистор изготовлен из полупроводника n-типа, а освещение осуществляется светом с такой длиной волны, чтобы наблюдалось только примесное поглощение. Таким образом, под действием света будут возникать только электроны в зоне проводимости, и фототок будет обусловлен носителями одного знака – электронами.

Что произойдет с неравновесными носителями, если «выключить» свет? Как только прекращается освещение полупроводника, количество рекомбинаций будет больше, чем число генераций электронов и дырок. В итоге все неравновесные носители «погибнут", и в полупроводнике останутся только равновесные носители. Но как скоро это произойдет? Время жизни отдельно взя-

Для чего нужны фоторезисторы? Строго говоря, они служат для регистрации потоков света, но конкретных применений фоторезисторов огромное количество. Так, например, при входе в роскошный супермаркет ваша нога пересекает световой луч, перекрывая свет, падающий на фот о- резистор. Тот, в свою очередь, вырабатывает сигнал «идет покупатель!», и двери приветливо перед Вами открываются. Или, например, в метро Ваша нога пересекает световой луч, и фоторезистор вырабатывает сигнал «тревога». И если Вы не прижали к соответствующему устройству проездную карточку, к Вам уже спешит человек в форме с выражением лица, не сулящим Вам ничего хорошего.

Изменение сопротивления фоторезисторов при пересечении подсвечивающего луча используется в многочисленных счетчиках; в защитных устройствах, ограждающих травмоопасные зоны станков и механизмов; в нефелометрах. Нефелометр – это прибор для определения степени мутности жидкостей, суспензий, коллоидных растворов. Название происходит от греческого слова nephele, которое означает «облако». Принцип работы нефелометра очень прост. Световой поток от

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

источника света, пройдя через мутную среду, попадает на фоторезистор. Чем среда мутнее, тем меньше света попадает на фоторезистор, тем выше, следовательно, его сопротивление.

Фотодиоды с p-n-переходом

Что такое p-n-переход?

Соединим мысленно два полупроводника с различными типами проводимости: полупроводник n-типа с полупроводником p-типа (оба полупроводника должны быть изготовлены из одного и того же материала, например, из германия). Область контакта между ними называется электронно-дырочным или n-p-переходом. Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании одного или нескольких электронно-дырочных переходов. Поэтому очень важно понимать, какие физические процессы там происходят.

Рис. I.14. Электронно-дырочный перехо д при о тсутствии смещения.

Как мы уже знаем, электроны и дырки хаотически движутся в полупроводнике. Однако как только мы соединим полупроводник n-типа с полупроводником p-типа, в хаотическом движении свободных носителей появятся изменения. Помните, как при нагревании части полупроводника (рис. I.8) мы наблюдали диффузионный ток носителей из области, где их много, туда, где их мало? Примерно то же самое происходит в рассматриваемой контактной области. Электроны устремятся из n-области, где их много, в полупроводник p-типа, где их очень мало, а дырки – из p- области в n-полупроводник. На рис. I.14а эти переходы показаны стрелками («закрашенные» точки – электроны, «пустые» точки – дырки). Однако процесс диффузии (диффузионный ток ) будет ослабевать с течением времени. И вот почему. В тонком слое p-области отрицательно заряженные атомы акцепторной примеси (они обозначены кружками с минусом на рис. I.14а) будут создавать здесь объемный отрицательный заряд. В слое n-области положительно заряженные атомы донорной примеси (кружки с плюсом) будут создавать объемный положительный заряд. В

итоге, в контактной области возникнет электрическое поле 1 и так называемая контактная разность потенциалов . Это поле будет препятствовать диффузионному перетеканию электронов и дырок, и, с другой стороны, будет перебрасывать неосновные носители в направлении, противоположном диффузионному току. Так, дырки из n-области будут перетекать под действием этого

1 Здесь и ниже вместо символа , обозначающего векторную величину, мы будем просто использо-

вать жирный шриф т: .

17

На пути в эру нанотехнологий…

поля в p-область, а электроны из p-области в n-область. Движение носителей под действием электрического поля, как мы уже говорили, есть дрейфовый ток . Так как неосновных носителей очень мало, то дрейфовый ток тоже будет маленьким. В некоторый момент времени диффузионный и дрейфовый токи становятся равными друг другу , и устанавливается так называемое динамическое равновесие – общий ток через p-n-переход равен нулю, а образовавшийся двойной электрический слой называют p-n-переходом.

Такую ситуацию можно интерпретировать следующим образом. Для того чтобы перейти из n-области в p-область, электрону необходимо преодолеть энергетический барьер. То же справедливо и для дырки, намеревающейся переместиться в противоположном направлении. Энергетический барьер для электрона изображен на рис. I.14б. Высота барьера равна контактной разно-

сти потенциалов (в энергетических единицах высота барьера будет равной , где – заряд электрона). Полезно представить аналогичную ситуацию для шариков (электронов), которые вкатываются на горку. Если энергия шариков мала, то они будут вкатываться на некоторую высоту, а затем под действием силы тяжести скатываться вниз.

Рис. I.15. Зонная модель дву х несоприкасающихся (а ) и нахо дящихся в контакте (б) полупроводников.

А что происходит с концентрацией носителей в p-n-переходе? Концентрации электронов и дырок в полупроводниках p- и n-типов различаются, вообще говоря, в миллионы раз! На рис. I.14 в видно, что концентрация электронов достаточно резко меняется от n-области к p-области. То же самое происходит с концентрацией дырок. Из рисунка также видно, что в тонком слое перехода, непосредственно примыкающем к границе двух полупроводников, возникает слой с малой концентрацией носителей (обедненный носителями слой). Уменьшение концентрации носителей здесь объясняется тем, что электрическое поле контактной разности потенциалов выталкивает из пограничных слоев все подвижные носители. В результате проводимость p-n-перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях областей n и p. Этот обедненный носителями слой еще называют запирающим. В запирающем слое, по сути, возникает собственная проводимость, т.е. полупроводники в этой тонкой области как бы избавляются от примесей и становятся «чистыми».

Для лучшего понимания физических процессов, происходящих в переходе, его полезно описать с помощью энергетических зон. На рис. I.15а показаны запрещенные зоны двух полупроводников с разными типами проводимости, которые еще не пришли в соприкосновение. Как мы знаем, уровень Ферми в полупроводнике p-типа при находится очень близко к потолку валентной зоны. В полупроводнике n-типа при абсолютном нуле расположен рядом с дном зоны проводимости. Когда мы соединяем эти два полупроводника, они должны поменять свою энергию так, чтобы у них был общий уровень Ферми. Это требование является фундаментальным и является следствием выполнения законов термодинамики. Для того чтобы стал единым для всей системы, положение зон на шкале энергий должно поменяться так, как это показано на рис. I.15б. В итоге, мы приходим к такой же модели потенциального барьера для электронов и дырок, что и на рис. I.14б.

Надо заметить, что толщина p-n-перехода ( на рис. I.14) зависит от концентрации примесей в p- и n-областях. Для германия, например, при средней концентрации примесей

м. При увеличении концентрации толщина перехода уменьшается. В том же германии при большой концентрации примесей м.

18

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Давайте теперь посмотрим, как будет вести себя переход, если подключить к нему источник напряжения. Если к n-области подключить отрицательный электрод, а к p-области – положительный, то такое напряжение называют прямым. А о самом переходе в этом случае говорят, что он включен в прямом направлении, либо, что на него подано прямое смещение.

В p-n-переходе под действием прямого напряжения создается электрическое поле, дейст-

вующее навстречу «контактному» полю . Это показано на рис. I.16а. В итоге, результирующее поле становится слабее. Другими словами, уменьшается высота потенциального барьера (для сравнения на рис. I.16б штриховой линией показана потенциальная диаграмма при отсутствии внешнего поля). Так как барьер понижается, его может преодолеть большее число носителей, таким образом, повышается диффузионный ток . Дрейфовый ток уменьшается, так как уменьшается результирующее поле, но так как он и до этого был очень мал, его изменение практически незаметно.

Рис. I.16. Электронно-дырочный перехо д при прямом смещении.

Ток , возникающий под действием прямого напряжения, тоже называют прямым. Если внешнее

электроны, а в n-область – дырки. Процесс введения в полупроводник неосновных носителей называется инжекцией носителей заряда. Слово инжекция означает введение, впрыскивание. Та область полупроводникового прибора, из которой инжектируются носители, называется эмиттерной областью, или эмиттером. А область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители, называется базовой областью, или базой.

Давайте теперь посмотрим, как описать включение p-n-перехода в прямом направлении с помощью энергетической модели (рис. I.17). При прямом смещении разность энергий между зонами p- и n-областей уменьшается (рис. I.17б), т.е. уменьшается высота потенциального барьера для носителей.

Теперь необходимо понять, что уровень Ферми, вообще говоря, вводится только для систем, находящихся в термодинамическом равновесии. Как только мы создаем разность потенциалов, мы тем самым выводим систему (наш полупроводник) из термодинамического равновесия. Поэтому пользоваться понятием уровня Ферми уже нельзя и приходится вводить так называемые

удалении от перехода квазиуровни снова сливаются в один уровень Ферми. На рис. I.17 хорошо видно, что при прямом напряжении разность между уровнями Ферми в p- и n-областях на больших

На пути в эру нанотехнологий…

Давайте теперь посмотрим, что произойдет с p-n-переходом, если к его p-области подключить отрицательный электрод, а к n-области – положительный. При таком обратном смещении

Рис. I.17. Зонная модель перехо да в термодинамическом равновесии (а) и при прямом смещении (б).

Так как потенциальный барьер повышается, то практически ни один носитель не может

Таким образом, под действием обратного напряжения через переход протекает очень небольшой обратный ток . Этот ток, в отличие от диффузионного, сопровождается выведением неосновных носителей из соответствующих областей перехода. Выведение неосновных носителей через p-n-переход электрическим полем, созданным обратным напряжением, называется экстракцией носителей заряда (слово экстракция означает выдергивание, извлечение).

Рис. I.18. Электронно-дырочный перехо д при обратном смещении.

Энергетическая модель здесь аналогична изображенной на рис. I.18, только разность энергий между зонами p- и n-областей теперь очень большая, а квазиуровни и «перевернуты»: «сверху» находится , а «снизу» – . Кроме того, при обратном напряжении увеличивается толщина запирающего слоя ( ).

Когда уже будет что-нибудь о фотодиоде?

Итак, теперь мы с Вами можем перейти «от теории к практике» и познакомиться с конструкцией приборов, без которых современную технику едва ли можно представить. Одним из таких устройств как раз и является фотодиод.

20