Lektsii_Fizika_chast_III

Толщина слоя объемного заряда d, как и в случае диода Шоттки, зависит от внешнего приложенного напряжения V и возрастает с увеличением контактной разности потенциалов и уменьшением концентрации основных носителей заряда в полупроводниках:

Знак ( ) в выражении (13.2) соответствует прямому включению p-n–перехода, в соотношении (13.3) – обратному.

Барьерную емкость p-n–перехода можно определить по формуле плоского конденсатора

где S – площадь перехода, а d – подставляется из выражения (13.3). Таким образом, емкость p-n–перехода нелинейно зависит от приложенного напряжения V (обычно прикладывают «обратные» напряжения), что используется для построения варакторов

– важных элементов параметрических усилителей, которые обладают малым шумом и применяются в очень чувствительных приемниках, например, для спутниковых линий связи, радиотелескопов и т.д. Вольт-фарадные характеристики используют и для определения VК. Зависимость сопротивления электроннодырочного перехода от V позволяет использовать p-n–переход также в качестве регулируемого сопротивления (варистора).

Ток JS в выражении для ВАХ p-n–перехода (13.2) является суммой токов неосновных носителей Jns и Jps:

Влияние основных параметров перехода на ток JS рассмотрим на практических занятиях, там же введем понятие диффузионной длины. Заметим только, что с увеличением температуры обратный ток JS сильно растет, и выпрямляющие свойства p-n– перехода постепенно пропадают.

Тем не менее, при обычных температурах диоды, изготовленные на основе p-n–переходов, являются прекрасными твердотельными выпрямителями, коэффициент выпрямления у ко-

121

торых достигает сотен тысяч. Импульсные и высокочастотные p-n–переходы имеют быстродействие приблизительно 10 9 с, рабочие частоты до 109 Гц. Вид ВАХ p-n–перехода зависит от концентрации носителей заряда, поэтому такие контакты ши-

роко используют для изготовления датчиков температуры, дав-

ления, света, ионизирующих излучений и других воздействий, влияющих на контактную разность потенциалов и ток JS диода.

Пробой p-n–перехода.

Кроме упомянутого выше теплового нарушения выпрямляющих свойств диода возможен и электрический пробой, вызванный появлением больших электрических токов при достаточно высоком обратном напряжении VП на p-n–переходе, рис. 13.4 В

13.2. Туннельный диод

Работа туннельных диодов основана на квантовом явлении просачивания электронов через тонкий потенциальный барьер p- n–перехода, изготовленного из вырожденных полупроводников.

Вырожденные полупроводники – это материалы, у которых уро-

вень Ферми попадает в зону проводимости (за счет сильного легирования донорами или акцепторами соответственно полупроводника n и p-типа проводимости). Принцип работы тун-

122

нельного диода иллюстрируется схемой, изображенной на рис. 13.5, которая показывает отдельные фрагменты формирования ВАХ.

123

Отличительной особенностью ВАХ туннельных диодов является присутствие участка с отрицательной дифференциальной проводимостью, что можно использовать для генерации и усиления СВЧ - колебаний до частот около 100 ГГц (тонкие области p-n–перехода). Недостатком этих диодов является узкий интервал рабочих напряжений, обычно до 0.2 В.

13.3. Обращенный диод

По сути, обращенный диод является разновидностью тун-

0V ствовать, поэтому обращенные диоды являются идеальными выпрямителями малых

Рис. 13.6 сигналов, рис.13.6.

13.4. Транзистор

Изобретение сотрудников фирмы «Bell Telephone Laboratories» Дж. Бардиным, В. Браттейном и В. Шоккли в 1948 г. полупроводникового аналога электронных усилительных ламп, транзистора, перевернуло мир электроники (Нобелевская премия 1956 г).

В курсе электроники Вы познакомитесь с большим разнообразием возможных конструкций транзистора, мы в качестве примера рассмотрим работу плоскостного n-p-n–транзистора,

рис. 13.7.

125

Рис. 13.7

Такой транзистор состоит из трех областей: левая n-область (эмиттер), p-область (база) и правая n-область (коллектор). При подаче на переход эмиттер – база прямого смещения происходит инжекция электронов (неосновных носителей) в p- область. Если база тонкая, то рекомбинацией электронов с дырками базы можно пренебречь, и почти все введенные электроны достигают контакта база – коллектор. Подхваченные сильным полем перехода база – коллектор, включенного в обратном направлении, электроны перетекают в коллекторную цепь тран-

зистора (JЭ JК).

Сделаем выходное сопротивление намного больше входного: RВЫХ RВХ. Такое подключение нагрузочного сопротивления осуществимо, так как сопротивление перехода база – коллектор намного больше сопротивления перехода эмиттер – база. В результате:

что соответствует усилению по напряжению, будет иметь место и усиление по мощности:

Дополнительная мощность, выделяющаяся в коллекторной цепи, потребляется от источника напряжения VК.

Усиление по току и по напряжению можно получить в схеме с общим эмиттером. Большое усиление по току получается в схеме с общим коллектором.

В качестве самостоятельной работы, с последующим рассмотрением на семинаре, ознакомьтесь с принципом работы полевых транзисторов, и приборов с зарядовой связью, а также возможностью использования транзистора, как логического элемента ЭВМ.

13.5. Неравновесные носители заряда в полупроводниках

Кроме равновесных носителей заряда, созданных путем теплового возбуждения, в полупроводниках и диэлектриках возможно образование носителей заряда и другими методами: фотовозбуждением, потоком заряженных частиц, введением через контакт и т. д. Образование таких избыточных носителей происходит с затратой энергии. Эта энергия берется от внешнего источника и непосредственно передается образующимся носителям, поэтому в момент создания избыточные носители могут не находиться в тепловом равновесии с решеткой кристалла. Такие носители заряда называются неравновесными. Неравновесные носители могут неравномерно распределяться по объему полупроводника.

Вследствие взаимодействия с фононами энергия неравновесных носителей уменьшается и в итоге выравнивается с энергией равновесных носителей. Это выравнивание происходит почти мгновенно (за время около 10 10 с), что значительно меньше времени жизни свободных носителей заряда в кристалле. В стационарном состоянии, как уже отмечалось, скорость генерации носителей G равна скорости их рекомбинации R (G R). Стационарному состоянию при возбуждении отвечает концентрация n и p, без него – n0 и p0 , тогда концентрация избыточных носителей

127

При слабом уровне возбуждения (например, для полупроводника n-типа)

Поскольку положение уровня Ферми в полупроводниках зависит от концентрации электронов, а в условиях дополнительного возбуждения концентрация электронов отличается от равновесной, то положение уровня Ферми в неравновесных условиях отличается от его положения в равновесных условиях и определяется выражением

где EFk – энергия Ферми в неравновесных условиях, соответ-

ствующая квазиуровню Ферми.

Вопросы для повторения

1.Пользуясь зонной схемой, объясните, какие процессы протекают в области контакта полупроводников p- и n-типа.

2.Рассмотрите процессы, протекающие при прямом и обратном включении p-n–перехода.

3.От чего зависит толщина объемного слоя заряда в p-n– переходе?

4.Запишите выражение для вольт-амперной характеристики p- n–перехода.

5.Что называется варакторами и варисторами?

6.Какие причины могут вызвать электрический пробой p-n– перехода?

7.Изложите принципы работы туннельного и обращенного дио-

дов.

8.В каких целях применяются устройства, содержащие p-n– переходы?

9.Рассмотрите физические основы работы транзистора.

10.Дайте определение неравновесных носителей заряда в полупроводниках.

Литература: [1 – 5, 8 – 10]

128

Лекция № 14

14.1. Поглощение света в кристаллах

Интенсивность света, проходящего через вещество, постепенно уменьшается. Поглощение электромагнитного излучения твердым телом осуществляется различными путями, которые по способу передачи энергии, можно разделить на два типа: 1) энергия излучения расходуется на перевод электронов на более высокое энергетическое состояние; 2) энергия электромагнитного поля передается кристаллической решетке и превращается в тепло.

EC

1

1 1

4

Возможные переходы электронов в кристаллах под действием света показаны на рис. 14.1.а. Переход 1 приводит к появлению электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, он возможен при энергии фотонов h C V и соответствует собственному (фундаментальному) поглощению. В момент возникновения созданные светом носители заряда могут не находиться в тепловом равновесии с кристаллической решеткой. Однако, вследствие взаимодействия с ней эти носители быстро (примерно за 10 10 с) передают решетке свою избыточную энергию (данный процесс называется термализацией), поэтому рас-

129