Вопрос 20 ВАХ реального электронно-дырочного перехода

Прямая ветвь реального перехода

Некоторые осн. носители (e из n-области) вошедшие в обедненный слой не имеют достаточной энергии для преодоления пот. барьера. Они могут быть захвачены реком. ловушкой и рекомбинировать с дырками пришедшими из другой области.

При приложении Uпр пот. барьер понижается, что увеличивает концентрацию этих носителей в переходе, в результате рекомбинация усиливается. Вследствие такого движения возникает дополнительный прямой ток, называемый током рекомбинации.

Полный прямой ток складывается из тока инжекции и тока рекомбинации в реальном пр. ток больше чем в идеализированном. Отношение тока инжекции к рекомбинирующему току зависит от ширины запрещенной зоны. В п/п с шириной з.з (Si) инжекция затруднена, поэтому Iпр (при малых U) будет определяться током рекомбинации, а при увеличении напряжения ток инжекции превысит ток рекомбинации. В идеализированном переходе сопротивление базы = 0 в

реальных это сопротивление составляет 10… 100 Ом.

Определим Iв на котором expв линейную

Омический участок – большая часть ВАХ

При высоких уровнях инжекции наблюдается эффект модуляции Rб т.е. уменьшение сопротивления в 2 раза связанное с увеличением концентрации носителей в базе. -факторы неидеальности определяемые по реальным характеристикам.

Вопрос 21. Обратная ветвь ВАХ реального перехода

Генерация носителей в переходе

В реальных переходах происходит генерации eи дырок вследствие влияния температур. Возникновение eдвиж в n-область, дырки в p-область. Дрейфовое движение создает ток генерации. Число носителей в единице объема в единицу времени называется скоростью генерации где тау–время жизни в обедненном слое. если умножим на [S*l(U)] получим полное число носителей.

Следовательно Iобр реального перехода больше идеализированного

Igувеличивается при увеличении Uобр

 

Доля токов в полной генрации тем больше чем больше ширина з.з. и чем ниже температура. В Siпереходах Igявляется основным компонентом Iобр и при комнатной температуре.

При 100 С тепловой ток будет преобладать. В Geпереходах

Токи утечки

Реальный переход имеет участки выходящие на поверхность кристалла. На поверхности в след. поверхностных энергетических уровней, молекулярных и ионных пленок могут образоваться токопроводящие каналы по которым протекает ток утечки.

Iут может превысить Iо и Ig. Зависимость от температуры слабая. Для устранения Iут на микросхемах поверхность покрывают оксидной пленкой.

Вопрос 22

Различают 3 вида пробоя р-n перехода при достаточно больших обратных напряжениях: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением электрического поля в переходе, а третий – с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. «просачивание» электронов сквозь тонкий потенциальный барьер. Под высотой барьера понимается ширина запрещенной зоны з, а под его толщиной – расстояние d между противолежащими зонами.

В основе лавинного пробоя лежит «размножение» носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома п/п. В результате рождается новая пара электрон – дырка и процесс повторяется уже с участием новых носителей. Обратный ток при этом возрастает. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новый пары, ионизация приобретает лавинный характер.

Ход ВАХ в области «размножения» вплоть до пробоя описывается полуэмпирической формулой

Где М – коэффициент ударной ионизации

Одной из отличительных особенностей лавинного и туннельного пробоев яв-ся разный знак температурного коэффициента пробивного напряжения. Это объясняется тем, что напряжение туннельного пробоя находится в прямой зависимости от ширины з.з., поэтому уменьшение величины з с ростом температуры вызывает уменьшение Uz. Напряжение лавинного пробоя находится в обратной зависимости от подвижности, поэтому уменьшение величины µ с ростом температуры вызывает увеличение UM.

В основе теплового пробоя лежит саморазогрев перехода при протекании обратного тока. С ростом температуры обратные токи резко возрастают, и соответственно увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе; это вызывает дополнительный рост температуры и т.д. Тепловой пробой может начаться лишь тогда, когда обратный ток уже приобрел достаточно большую величину в результате лавинного или туннельного пробоя.

Важной особенностью ВАХ яв-ся обратная зависимость м/у прямым напряжением и тепловым током: чем меньше тепловой ток, тем больше прямое напряжение и наоборот. Еще один факт, что прямое напряжение уменьшается с увеличением площади перехода

Вопрос 29

Фотоэлектрические явления – это электрические явления (изменение электропроводности, эмиссия электрона, возникновение ЭДС и другие), происходящие в веществе при воздействии на него электромагнитного излучения оптического диапазона. ФЭЯ возникают в тех случаях, когда энергия поглощённого веществом фотона () затрачивается на квантовый переход электрона с состояния с большей энергией. Если в твёрдых телах (металлах и полупроводниках) энергия фотонов достаточна для преодоления электронами поверхности потенциального барьера, то возникает фотоэлектронная эмиссия – внешний фотоэффект. При меньших значениях поглощения энергии в полупроводнике возникают неравновесные носители заряда (электроны и дырки проводимости), что проявляется в изменении электропроводности и возникновении в нём ЭДС – внутренний фотоэффект. Рассмотрим внутренний фотоэффект и две его составляющие: эффект фотопроводимости (фоторезистивный эффект) и фотогальванический эффект.

Эффект фотопроводимости в полупроводнике.

Оптическое излучение взаимодействует с веществом (полупроводником), частично отражается от поверхности, частично поглощается полупроводником и частично проходит через кристалл без поглощения. Каждый процесс характеризуется своими коэффициентами.

1) Коэффициент отражения

-отношение мощности отражения к мощности излучения, падающего на поверхность

2) Коэффициент пропускания

-отношение мощности излучения, прошедшего через полупроводник, к мощности излучения, падающего на поверхность

3) Коэффициент поглощения

-относительное изменение мощности падающего излучения в слой полупроводника единичной толщины

На расстоянии мощность светового излучения уменьшается в e раз.

Энергетические параметры связаны с переносимой излучением энергией и характеризуют излучение безотносительно к действию его на какой-либо приёмник. В области фотометрии вместо мощности P в Вт используют Ф[Лм](в люменах)-световой поток.

 

Плотность фотонов N0-число фотонов, падающих на единицу поверхности полупроводника в единицу времени при монохроматическом световом потоке. Тогда световой поток равен:

Запишем выражение для светового потока, взаимодействующего с кристаллом:

ФЭЯ проявляются в основном при поглощении светового излучения.

Вопрос 30

Механизмы поглощения:

1) Собственное (основное)

2) Примесное

3) Экситонное

4) Решётчатое

5) Свободными носителями

 

1)Энергия затрачивается на разрыв валентной связи, атомы переводят электроны в ЗП, энергия фотона при этом больше

В диапазоне волн , а , коэффициент поглощения резко падает, поэтому спектр собственного поглощения имеет чётко выраженную границу, называемую красной границей фотоэффекта. Красная граница соответствует минимуму энергии фотона для перевода электрона из ВЗ в ЗП. Переходы электронов из ВЗ могут быть прямые и непрямые. При прямом переходе импульс электрона практически не изменяется, так как импульс фотона ничтожно мал, то им можно пренебречь. Непрямые переходы происходят в полупроводниках с экстремумами ВЗ и ЗП, расположенными в разных точках области квазиимпульсов.

Для соблюдения закона сохранения импульсов требуется участие третьей частицы -фонона. Энергия, затраченная на прямой переход, меньше, чем затраченная на непрямой. Но вероятность непрямого перехода мала, поскольку для непрямого перехода необходима встреча трёх частиц в одном месте.

Коэффициент с непрямым переходом связан меньше, чем с прямым. С понижением вначале происходят непрямые переходы (требуется меньше энергии), с ростом энергии фотона будут происходить только прямые. На величину , кроме типа полупроводника, влияет температура. При росте температуры ширина ЗЗ падает и смещается в область длинных волн.

2) При примесном поглощении энергия фотона затрачивается на ионизацию примесей. При этом .

Коэффициент примесного поглощения на несколько порядков меньше коэффициента собственного поглощения, так как плотность примесного состояния гораздо меньше плотности состояний в разрешённых зонах. Электроны в атомах примесей могут находиться и в возбуждённом, и в невозбуждённом состоянии, поэтому степень ионизации будет различной, тогда спектр примесного поглощения состоит из нескольких экстремумов. С ростом температуры происходит тепловая ионизация. Коэффициент при этом падает, так как число неионизованных примесей тоже падает.

3) При экситонном поглощении энергия фотона расходуется на образование экситона. Экситон – электронейтральное возбуждение в атоме (кристалле), обусловленное появлением связанных друг с другом электрона и дырки. При экситонном поглощении энергия фотона меньше , поэтому электрон из ВЗ не может перейти в ЗП, однако электрон способен удалиться от атома, оставаясь связанным с оставшейся дыркой. Связанная пара может перемещаться вдоль кристалла, но, будучи связанной, не создаёт электричество и ток. Влияние экситонной проводимости косвенное. Столкновение с экситоном или фононом может привести: 1)к потере им энергии, что эквивалентно возвращению энергии к валентному донору; 2)к получению энергии, то есть электрон переходит в ЗП с образованием дырки в ВЗ. В обоих случаях экситон расщепляется.

4) Если кристаллическая решётка содержит атомы различных веществ, то её можно рассматривать как систему электрических диполей. Диполи интенсивно поглощают энергию на частоте собственных колебаний. Поглощение излучения сопровождается появлением большого числа фононов. При этом тепловая энергия полупроводника растёт, поэтому концентрация свободных носителей растёт, изменяется их подвижность и энергия.

5) Поглощение излучения свободными носителями в ЗП и ВЗ связано с переходом с одних энергетических уровней на другие в пределах зоны. Зоны близко, поэтому спектр без экстремумов и непрерывный. невелик из-за малой концентрации свободных носителей.

Вопрос 31 Фотопроводимость.

При эффективной фотопроводимости происходит изменение электропроводности полупроводника под действием оптического излучения. Если световой поток отсутствует Ф=0, T=const, то проводимость (темновая или обычная) рассчитывается:

. При поглощении излучения в полупроводнике появляются избыточные носители Ф 0=const, =const. Наступает динамическое равновесие с избыточными концентрациями и , поэтому проводимость изменяется на -фотопроводимость. . Полная проводимость при этом: .

При собственном поглощении красная граница фотопроводимости совпадает с красной границей . При уменьшении длины волны резко растёт. При достижении некоторой величины длины волны падает. Причина уменьшения -уменьшение области генерации избыточных носителей, так как растёт, общее количество избыточных носителей падает. При собственном поглощении происходит генерация пар = , поэтому проводимость называют бинарной.

При примесном поглощении растёт концентрация носителей только одного знака и фотопроводимость называется униполярной. На проводимость могут влиять и экситоны, которые способны переносить энергию по кристаллу и возбуждать носителей заряда из примесей или ловушек. Они сами могут увеличить фотопроводимость, распадаясь в областях неоднородностей на два свободных носителя.

Поглощение энергии свободными носителями не меняет их концентрацию, но увеличивает их , и фотопроводимость называют -проводимостью.

При решётчатом поглощении температура растёт и на фотопроводимость оказывают влияние два взаимопротивоположных фактора: 1) с ростом температуры растёт концентрация свободных носителей, поэтому растёт; 2)падает , поэтому падает .

Эффективное поглощение характеризуется квантовым выходом полупроводника:

(отношение числа неравновесных избыточных носителей к плотности поглощённых фотонов)

ФЭЯ в электрических переходах(фотогальванический эффект).

Рассмотрим идеальный p-n-переход, облучённый монохроматическим световым потоком с энергией фотонов, превышающей . При собственном поглощении в переходе и прилегающих к нему областях генерируются избыточные носители(электроны и дырки). Электрическое поле перехода разделяет носители, перемещая дырки в p-область, а электроны – в n-область. Процессу разделения подвергаются носители, генерируемые в обеднённом слое и прилегающих областях с шириной меньше либо равной диффузионной длины. Возникает дрейфовый фототок неосновных неравновесных носителей заряда . Неравновесные основные носители (электроны n-области и дырки p-области) не могут преодолеть потенциальный барьер и остаются в области генерации. В результате разделения оптически генерируемых носителей в n-области появляется избыточный отрицательный заряд, а в p-области – избыточный положительный. Возникающая, таким образом, разность потенциалов, называется фотоЭДС (Eф) или напряжением холостого хода Uхх при разомкнутой цепи. Уровни Ферми при этом смещаются друг относительно друга на величину фотоЭДС.

Потенциальный барьер, как и при прямом смещении, понижается до величины q(l0-UM), при разомкнутом – понижается до q(l0-Uхх), что приводит к появлению тока диффузии. Он направлен навстречу дрейфовому фототоку. И при Ф=const эти токи компенсируют друг друга и I=Iдр-Iф=0.

ФотоЭДС приложено к переходу в прямом направлении и увеличивается с ростом интенсивности светового потока:

-ток насыщения.

Uхх не может превысить величину контактной разности потенциалов перехода. В противном случае из-за полной компенсации поля не будет разделения оптически генерируемых носителей.

Дрейфовый фототок: , следовательно, дрейфовый фототок пропорционален концентрации неосновных носителей, генерируемых в единицу времени в области размером Lф=l+Ln+Lp, где l – толщина перехода. Концентрация носителей пропорциональна величине потока, значит, световой поток и и фототок связаны между собой линейной зависимостью: I=kФ. При подключении нагрузки к освещённому переходу разность потенциалов создаётся только частью носителей заряда, а остальная часть участвует в создании фототока и обеспечивает ток нагрузки.