Учебники 80175

Рис. 16 Рис. 17

Зависимость тока через р-n переход от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой

(рис. 18).

Уравнение этой характеристики имеет такой вид

J = J0 ( e	±eV	−1),	(21)
	кТ

где V – внешнее напряжение, приложенное к р-n- переходу с учетом знака, J0 – значение, к которому стремится обратный

ток при увеличении обратного напряжения.

31

Рис. 18

p-n переход обладает практически односторонней проводимостью, проявляя высокие выпрямляющие свойства. По-

этому p-n переход является основой полупроводниковых дио-

дов. Диоды принято характеризовать коэффициентом выпрямления - отношением прямого тока к обратному при ± V = const. Эта величина может достигать значений ~ 109 . С ростом температуры выпрямляющая способность p-n перехода уменьшается и при некоторой температуре исчезает совсем. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей определяется концентрацией примесей и от температуры практически не зависит, а концентрация неосновных носителей резко увеличивается с повышением температуры. Таким образом, при нагревании можно достичь такой температуры, при которой концентрация неосновных носителей станет равной концентрации основных и потенциальный барьер исчезнет.

9. Светодиоды

В полупроводниках возможен процесс испускания све-

та в результате перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону и его рекомбинации с дыркой. Это явление с

32

энергетической точки зрения является обратным явлению внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.

Для получения достаточного числа рекомбинирующих пар «электрон-дырка» используется контакт полупроводников с электронной и дырочной проводимостью, т.е. p-n переход (диод).

В месте p-n перехода существует потенциальный барьер Е, который является препятствием для перехода электронов и дырок. При подаче прямого напряжения U0 электроны и дырки начинают интенсивно проходить через область p-n перехода.

В этом случае создаются благоприятные условия для рекомби-

нации электронно-дырочных пар в области p-n перехода и наблюдается испускание света. Энергия фотона, излучаемого полупроводниковым диодом, равна:

hν = ΔE = eU0 .

(22)

Излучение светодиодов не тепловое, поэтому его спектральное распределение намного уже, чем спектральное излучение черного тела, к которому близок спектр лампы накаливания.

Ширина спектра излучения светодиодов зависит от ширины запрещенной зоны, энергии активации примесей.

Выбирая полупроводник и регулируя его примесный состав, можно получить излучение в нужном диапазоне волн.

Взаимодействие электронов и дырок между собой, с примесями и фотонами приводит к уширению спектра, в особенности, в его длинноволновой части.

Светодиоды практически безинерционны и без искаже-

ний преобразуют электрические импульсы в световые. Это ис-

пользуется для неэлектрических связей между различными блоками автоматики и ЭВМ.

33

10. Фотопроводимость полупроводников

Электрическая проводимость полупроводников, возбуждённая электромагнитным излучением, называется фото-

проводимостью.

Фотопроводимость обусловлена внутренним фотоэффектом. В полупроводнике под влиянием света образуются дополнительные неравновесные носители тока. Общая удельная электрическая проводимость полупроводника

σ =σ0 +σф ,	(23)
где σ0 – темновая удельная электрическая	проводимость,

σф – удельная электрическая фотопроводимость.

На рис. 19, а показана схема образования электрона фотопроводимости и дырки у собственного беспримесного полупроводника. Фотон с энергией hν , равной или большей ширины запрещённой зоны ∆E , переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости. При этом образуется пара

– электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне.

Они участвуют в создании собственной фотопроводимости

полупроводника.

Удельная электрическая проводимость

σф = еnoc [ uэ τэ +uд τд ] ,

(24)

где noc – число пар неравновесных носителей – электронов и дырок, генерируемых в единице объёма полупроводника за 1 с; τэ и τд – средние времена жизни этих носителей.

На рис. 19, б, в показано, как создаются носители тока под действием света в примесных донорных (б) и акцепторных (в) полупроводниках.

В этих случаях фотон с энергией hν , не меньшей энергии активации примесной проводимости, либо переводит электрон с донорного уровня в зону проводимости, либо из ва-

34

лентной зоны переводит электрон на акцепторный примесный уровень.

а)

б)

в)

Рис. 19

Требование к энергии фотона hν > ∆E , где ∆E – энергия активации соответствующей проводимости, означает, что существует красная граница внутреннего фотоэффекта, ко-

торая определяется из условия hνкр = ∆E . Переходя от частоты к длине волны, получим

λ	=	h c	.	(25)
кр		∆E
Для собственной фотопроводимости				полупроводника

при ∆E = 2 эВ, λкр = 600 нм. Это соответствует жёлтому све-

ту. Видимый и ультрафиолетовый свет может вызвать фотопроводимость не только полупроводников, но и диэлектриков,

укоторых ∆E > 2 эВ.

Упримесных полупроводников энергия активации про-

водимости ∆E ~ 0,01÷0,1 эВ и	λ ~ 10−5	÷10−4 м, что соот-
	кр

ветствует инфракрасной области спектра.

Зависимость фотопроводимости полупроводников от освещённости используется в фоторезисторах (фотосопротивлениях).

35

Характеристикой фотосопротивления является его све-

товая чувствительность ddJФ (мА/лм) – изменение силы тока

при изменении светового потока на 1 лм. У фотосопротивлений световая чувствительность выше, чем у вакуумных фотоэлементов, основанных на внешнем фотоэффекте. Например, у фоторезистора CdSe световая чувствительность ~ 1200 мА/лм; она в 105 раз больше, чем у вакуумных фотоэлементов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Савельев, И. В. Курс общей физики: в 3 -х томах. Т.3 [Текст] / И. В. Савельев. – М.: Лань, 2007. – 496 с.

2.Савельев, И. В. Курс общей физики: в 5-ти томах. Т.5 [Текст] / И. В. Савельев. – М.: ООО Издательство «АСТ»,

2001. – 368 с.

3.Детлаф, А. А. Курс физики [Текст] / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высш. шк., 2000. – 718 с.

4.Трофимова Т.И. Курс физики [Текст] / Т. И. Трофи-

мова. – М.: Высш. шк., 2007. – 542 с.

5.Нерсесов, Э. А. Основные законы атомной и ядерной физики [Текст] / Э. А. Нерсесов. – М.: Высш. шк., 1988.– 289 с.

6.Епифанов, Г. И. Физика твердого тела: учебное пособие, 4-е изд., стер. [Текст] / Г. И. Епифанов. – СПб: Издатель-

ство «Лань», 2011. – 288 с.

36

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………..	3
ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА………………..	4
1. Энергетические уровни свободных атомов…….....	4

2.Некоторые сведения из квантовой статистики……. 6

3.Вырожденный электронный газ в металлах………. 8

4.Энергетическая структура твердых тел……………. 11

5.Металлы, полупроводники, диэлектрики………….. 15

6.Собственная проводимость полупроводников…………. 17

7.	Примесная проводимость полупроводников……………	21
8.	Контакт электронного и дырочного
полупроводников (р-n - переход)…………………………...		26
9.	Светодиоды…………………………………………………	32
10. Фотопроводимость полупроводников…………………		34
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………….		36

37

ФИЗИКА. ПОЛУПРОВОДНИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к изучению темы «Полупроводники» для студентов всех технических направлений и специальностей очной формы обучения

Составитель Бугаков Александр Викторович

Издается в авторской редакции

Подписано к изданию 19.04.2021. Уч.-изд. л. 2,0.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

394026 Воронеж, Московский просп., 14

38