Физические процессы в полупроводниках и их свойства. Термоэлектрические явления в полупроводниках, страница 5

10.3.3. Внутренний фотоэффект

  Электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости под действием света. Энергия световых квантов дается выражением:

W      f         h       

W=h·f                                       СИ     Дж    Гц  Дж·с                (10.3)

(1/с)                                

Эта энергия должна превышать ширину запрещенной зоны, однако, не должна превосходить интервала между верхним краем зоны проводимости и нижним краем валентной зоны.

При увеличении числа квантов с подходящей длиной волны или частотой проводимость полупроводниковых материалов возрастает. Техническое применение: фотосопротивления. Схема распределения W_c, W_v и световых квантов представлена на рис. 10.6.

   W

 

                           w_c

w_мин=∆w  w_макс

w_v

w_мин <_hf<w_макс

Рис 10.6. Схема распределения W_c,W_v и световых квантов

10.3.4. Процессы диффузии в полупроводниках

Направленное движение свободных электронов, вызванное не внешним электрическим полем, а процессами диффузии вызывают так называемый диффузионный ток.

Диффузия свободных носителей заряда возникает, когда наблюдается неравномерное распределение носителей заряда в объеме полупроводника. Это и обуславливает перемещение носителей заряда. Вследствие этого первоначально электрически нейтральный полупроводник электрически заряжается, так как диффундирующие частицы оставляют за собой нескомпенсированный заряд обратного знака, а внутри полупроводника в процессе диффузии образуется диффузионное поле, которое создает диффузионное напряжение. С ростом диффузионного напряжения ток увеличивается, пока в установившемся состоянии полностью не скомпенсирует диффузионный ток.   

Процесс диффузии образует тепловое движение частиц.

Способность носителя заряда диффундировать в определённой среде характеризует коэффициент диффузии, который зависит от температуры (увеличивается с ростом температуры).

Связь коэффициента диффузии с подвижностью носителей заряда выражает формула Эйнштейна:

    k     Т     е                             

D=ukT/e ,                       СИ     Дж/К  К  Кл          (10.4)

где D-коэффициент диффузии; u-подвижность носителей заряда; k-постоянная Больцмана; T- термодинамическая температура; е- заряд электрона.

Важным показателем процесса диффузии носителей заряда является их диффузионная длина. Физически она представляет собой расстояние, на котором избыточная концентрация носителей заряда снижается в е раз (е=2,718). Диффузионную длину можно определить и как среднее расстояние, на которое носитель заряда диффундирует за время, равное его времени жизни.

Связь диффузионной длины, коэффициента диффузии и времени жизни носителя заряда выражает формула

СИ

τ                                     

L=√Dτ  ,                                             c                            (10.5)

где L – диффузионная длина; D- коэффициент диффузии; τ- время жизни носителя заряда.

В отличие от металлов диффузия в полупроводниках имеет большое практическое значение. Например, диффузией примесей изготавливаются р-п переходы.

10.3.5. р-n переход

В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р - проводимостью, а другой – п - проводимостью. Между такими областями возникает пограничный слой, через который диффундируют основные носители, стремясь уравнять значения концентрации по обе стороны от слоя. В результате по обе стороны от границы возникает тонкий слой, в котором почти отсутствуют свободные носители заряда. Внешнее напряжение изменяет толщину этого слоя. Если положительный полюс источника напряжения соединен с р - областью, а отрицательный с п - областью, то большое число основных носителей диффундирует в пограничный слой, где они рекомбинируют.