Физические основы микроэлектроники. Попов В.Ф. - 52 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

n
n0
p
p0
= p
p0
n
n0
= n
2
i
,
где n
i
– концентрация носителей в собственном полупроводнике.
При n
n0
= p
p0
= 10
22
м
-3
и n
i
= 10
19
м
-3
получаем p
p0
= n
p0
= 10
16
м
-3
.
Как видим, концентрация дырок в p-области на шесть порядков выше концентрации их в n-области; точно так же
концентрация электронов в n-области на шесть порядков выше концентрации их в p-области. Такое различие в концентрации
однотипных носителей в контактирующих областях полупроводника приводит к возникновению диффузионных
потоков
электронов из n-области в p-область (n
n
→
p
) и диффузионного потока дырок из p- в n-область (p
p
→
n
). При этом область n, из
которой диффундировали электроны, заряжается положительно, а область p, из которой диффундировали
дырки, –
отрицательно. Это заряжение приводит соответственно к понижению всех энергетических уровней, в том числе и уровня
Ферми в n-области и повышению их в p-области. Перетекание электронов справа налево и дырок слева направо
происходит до тех пор, пока постепенно поднимающийся уровень Ферми в p-области (µ
р
) не установится на одной высоте с
постепенно опускающимся уровнем Ферми в n-области (µ
n
). С установлением этих уровней на одной высоте между n- и р-
областями устанавливается равновесие, при котором поток электронов из n- в р-область (n
n→p
) уравновешивается потоком
электронов из р- в n-область (n
p
→
n
), а поток дырок из p- в n-область (p
p
→
n
) уравновешивается потоком дырок из n- в
р-область (p
n
→
p
):
n
n
→
p
= n
p
→
n
; p
p
→
n
= p
n
→
p
.
Уход электронов из приконтактного слоя n-области приводит к возникновению в этом слое неподвижного
положительного объемного заряда ионизированных атомов донорной примеси (рис. 48, в); обозначим толщину этого слоя
через d
n
. Уход дырок из приконтактного слоя р-области вызывает появление в этом слое неподвижного отрицательного
объемного заряда, локализованного на атомах акцепторной примеси; обозначим толщину этого слоя через d
p
.
Между этими слоями возникает контактная разность потенциалов V
к
, создающая в p-n-переходе потенциальный
барьер ϕ
0
, препятствующий переходу электронов из n- в р-область и дырок из p- в n-область. Как показывает расчет
0
0
0
0
0
n
p
p
n
p
p
kT
n
n
kT lnln ==ϕ
. (10.14)
Из (10.14) видно, что ϕ
0
тем выше, чем больше отношение концентрации основных носителей в данной области
полупроводника к концентрации этих носителей в другой области полупроводника, в которой они являются неосновными.
При n
n0
= 10
22
м
-3
, n
p0
= 10
16
м
-3
и Т = 300 К ϕ
0
≈ 0,45 эВ.
На рис. 48, г показана энергетическая схема р- и n-областей до установления между ними соприкосновения. Из рис. 48,
г
видно, что µ
n
лежит выше µ
р
.
На рис. 48, д приведена энергетическая схема этих областей после установления между ними равновесия. Уровни
Ферми µ
n
и µ
р
расположились на одной высоте, между областями p и n возник слой объемного заряда, простирающийся в n-
область на глубину d
n
и в р-область на глубину d
p
, и потенциальный барьер φ
0
= qV
к
. Из сравнения рис. 48, г, д легко видеть,
что
ϕ
0
= µ
n
– µ
р
.
Толщина слоя объемного заряда d = d
n
+ d
p
, как и в случае контакта полупроводника с металлом, определяется высотой
потенциального барьера ϕ
0
и концентрацией основных носителей n
n0
и р
р0
=
+εϕε
=
00
2
0000
2
pn
pn
pnq
pn
d
)(
00
2
00к0
2
pn
pn
pnq
pnV )( +εε
.
10.8 Внутренний фотоэффект
Эффекты поглощения света в полупроводниках находят практическое применение для создания модуляторов световых
потоков, фотоприемников и преобразователей световой энергии в электрическую.
Для модуляции световых потоков можно использовать зависимость коэффициента поглощения у края собственной
полосы от давления, внешнего электрического поля и концентрации свободных носителей заряда или зависимость
поглощения света свободными носителями от их концентрации.
При собственном и примесном поглощениях возникают избыточные свободные носители заряда, приводящие к
увеличению проводимости полупроводника. Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света
называется внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретаемая полупроводником при облучении
светом, называется фотопроводимостью. Основная же проводимость, обусловленная тепловым возбуждением свободных
носителей заряда, называется тепловой проводимостью. Приборы, предназначенные для регистрации светового излучения
по величине фотопроводимости, называются фоторезисторами.
На рис. 49 показаны устройство фоторезистора и схема его включения.
Чувствительный элемент фоторезистора представляет собой брусок или пленку монокристаллического или
поликристаллического полупроводника с двумя омическими контактами. Он подключается к источнику смещения
0
V через
нагрузочное сопротивление
н
R . Толщина чувствительного элемента должна быть достаточно большой, чтобы в нем
поглощался практически весь свет
)( rW −1
0
, прошедший через освещенную поверхность (
0
W – мощность падающего света;
r – коэффициент отражения поверхности). Это требование легко выполнить для собственных фоторезисторов и часто трудно

Страницы