ЛЕКЦИЯ 11. При повышении температуры концентрация примесных носителей быстро достигает насыщения

При повышении температуры концентрация примесных носителей быстро достигает насыщения. Это означает, что практически освобождаются все донорные или заполняются все акцепторные уровни.Вместе с тем по мере роста температуры все больше становится носителей, образовавшихся за счет собственной проводимости. Таким образом, при высоких температурах общая проводимость будет складываться из примесной и собственной проводимостей. При низких температурах преобладает примесная проводимость, при высоких – собственная.

Рассмотрим кристалл, полученный в результате плотного контакта двух полупроводников р и n -типов.

В полупроводнике n – типа основными носителями являются электроны, заряд которых скомпенсирован зарядом неподвижных ионов – доноров; а также присутствует небольшое количество дырок, являющихся неосновными носителями.

В полупроводнике р – типа основными носителями являются дырки, а неосновными электроны.

Диффундируя через пограничный слой во встречных направлениях, дырки и электроны рекомбинируют. В результате пограничный слой оказывается сильно обедненным свободными носителями.

При этом на границе областей с р и n проводимостью возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси, заряд которых теперь не компенсируется дырками, и положительными ионами донорной примеси, на компенсацию заряда которых не хватает свободных электронов (рис.42).

Электрическое поле в этом слое направлено так, что оно препятствует дальнейшей встречной диффузии дырок и электронов.

Рис.42

Равновесие наступит тогда, когда уровни Ферми в полупроводниках р – и n – типов расположатся на одном уровне. (рис.43)

Рис.43.

Изгибание энергетических зон в области р –n перехода обусловлено тем, что потенциал

р – области в состоянии равновесия ниже, чем потенциал n-области.

Это приводит к тому, что потенциальная энергия электронов в р – областивыше, чем энергия электронов в n – области , а для дырок наоборот.

Рис.44

Ход зависимости потенциальной энергии для электров и дырок в области р – n перехода показывает(рис.44), что для основных носителей граница представляет собой потенциальный барьер, преодолеть который они могут только за счет внешнего дополнительного воздействия.

При отсутствии внешнего поля ток основных носителей через пограничный слой практически равен нулю. Неосновные же носители наоборот могут свободно проходить через граничный барьер. Однако незначительное их количество не позволяет этому процессу влиять на установившееся равновесие. Этот ток называют диффузионным и его практически полностью компенсирует тепловое движение основных носителей.

Подадим на кристалл напряжение так, чтобы (+) был подключен к р –области, а (-) к n- области. В результате потенциал на р – полупроводнике возрастет, что приведет к уменьшению потенциальной энергии электронов (- растет; - уменьшается).

Рис.45

В n- полупроводнике потенциал уменьшится, а потенциальная энергия электронов увеличивается (- падает; - увеличивается). В итоге высота потенциального барьера уменьшается и основным носителям значительно легче его преодолеть(рис.45). Чем ниже потенциальный барьер, тем больше ток основных носителей – прямой ток.

Если приложить к кристаллу обратное напряжение, т.е. (+) к n – области, а (-) к р – области, то высота потенциального барьера увеличится, что значительно усложнит переход основных носителей из одной области в другую (рис.46). Неосновные носители будут свободно проходить через р-n переход, но ток, созданный ими, уже не может быть скомпенсирован в результате теплового движения – обратный ток.

Рис.46.

Неодинаковость сопротивления пограничной области в прямом и обратном направлениях позволяет использовать р – n переход для выпрямления переменного тока.

В полупроводниках перераспределение электронов по состояниям может происходить не только из-за теплового движения, но и под действием света.

Если энергия падающего фотона больше ширины запрещенной зоны, то поглотивший этот фотон электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара свободных носителей: электрон и дырка, что приводит к увеличению проводимости полупроводника.

Увеличение проводимости полупроводник под действием света называют внутренним фотоэффектом.

В полупроводнике с акцепторной примесью поглощение фотона приводит к переходу электронов из валентной зоны на акцепторные уровни и в валентной зоне появляется свободное состояние – дырка. Так возникает дырочная фотопроводимость.

В полупроводнике с электронным типом проводимости поглощение фотона приводит к переходу электронов в зону проводимости с донорных уровней – это электронная фотопроводимость.

На внутреннем фотоэффекте основано действие фотосопротивлений. Количество образующихся под действием света свободных носителей пропорционально падающему световому потоку, поэтому фотосопротивления широко применяются в фотометрии.

В области р –n перехода (или на границе металл – полупроводник) при освещении его возникает вентильный фотоэффект. Он заключается в возникновении под действием света электродвижущей силы (фотоэдс). На Рис. 47 показан ход зависимости потенциальной энергии электронов (сплошная кривая) и дырок (пунктирная кривая) в области р – n перехода при освещении.

Не основные носители (электроны в р –области и дырки в n – области), возникшие под действием света, беспрепятственно проходят через р –n переход. В результате в р – области накапливается избыточный положительный заряд, а в n- области избыточный отрицательный заряд, что приводит к возникновению в зоне контакта разности потенциалов (фотоэдс)

Рис. 47

При подключении такого кристалла к нагрузке по цепи будет течь электрический ток (фототок).

При не очень больших освещенностях поверхности кристалла сила фототока пропорциональна падающему световому потоку. На этом основано действие фотоэлектрических фотометров.

Большое количество соединенных последовательно р –n переходов образует солнечную батарею, которая преобразует солнечную энергию в электрическую.

Дата добавления: 2014-01-07