Получение навыков количественных оценок эффектов и явлений в структуре полупроводников и интегральных микросхем, страница 26

При излучении число пар носителей в единице объема

где q – число пар носителей, создаваемых в единице объема в единицу времени при облучении,

 - число пар носителей, создаваемых в единице объема в единицу времени без облучения.

Число пар носителей, исчезающих в единице объема за время dt:

В соответствии равновесия получаем:

, следовательно,

Если , то

, то есть концентрация достигает некоторого постоянного значения.

Предположим, что  

где I – интенсивность воздействующих излучений.

Тогда выражение для концентрации носителей в стационарном состоянии имеет вид:

где g - коэффициент, характеризующий скорость рекомбинации;

- скорость генерации носителей;

q – скорость тепловой генерации носителей.

I.. Пусть  тогда

II. Пусть  тогда

Разность концентраций, создаваемых излучением и тепловой генерацией может быть найдена с учетом выражения

Тогда

Все эти закономерности учитываются и реализуются на практике.

Лекция №27

Связь между концентрацией носителей и интенсивностью воздействующих излучений:

где - концентрация носителей, поступающих с примесных уровней.

Концентрация носителей пропорциональна интенсивности воздействующих излучений.

Фотоэффект в электронно-дырочных переходах

Для неоднородных полупроводников, содержащих p-n переходы, фотоэлектронные процессы усложняются. Происходит разделение носителей заряда: одни сосредотачиваются по одну сторону перехода, другие – по другую. Возникает фотоЭДС. Ее величина зависит от типа воздействующих излучений и их интенсивности. На практике этот эффект применяется для преобразования энергии излучений в электроэнергию.

Пусть имеется слоистая структура.

В случае, если толщина области р превосходит диффузионную длину носителей, генерируемых излучением, то большая часть носителей рекомбинирует, не достигая p-n перехода.

Поэтому толщину р берут малой по сравнению с диффузионной длиной:

где D – коэффициент диффузии;

t – время жизни носителей.

При достижении электронами p-n перехода будет происходить переброс электронов в соседнюю n- область. На зонной диаграмме это будет выглядеть следующим образом:

Генерируемые светом электроны перемещаются на ниже расположенные уровни в запрещенной зоне n- области.

Поток электронов будет преобладать над потоком дырок. На границе p-n перехода со стороны электронного полупроводника будет формироваться отрицательный заряд. В конечном итоге наступит состояние термодинамического равновесия, которому соответствует некий потенциал и потенциальный барьер:

где V – обусловленная излучением дополнительная разность потенциалов.

В результате в электронном полупроводнике все уровни поднимутся на эту величину вверх, то есть высота потенциального барьера уменьшится, что приведет к перераспределению концентраций электронов и дырок. Установится стационарное состояние и суммарный ток будет равен нулю.

Если же цепь замкнута, то электроны и дырки будут переходить во внешнюю цепь под действием сил внешнего электрического поля.

ВАХ такого перехода:

При воздействии излучений обратная ветвь ВАХ имеет вид:

Проведем нагрузочную прямую, угол наклона которой пропорционален сопротивлению нагрузки.

Если прямая уходит в I квадрант, процессы становятся другими, осуществляется гибридный режим, когда на одной стадии формирования действуют общие законы линейной цепи, а на другой – изменения токов и напряжений подчиняются нелинейным законам, то есть импульсы тока и напряжения подвергаются искажениям.

На практике иногда источником излучения является не солнечный свет, а рентгеновское, гамма и другие излучения.

Интегральные биполярные транзисторы

Интегральный биполярный транзистор является основой всех существующих биполярных микросхем. МДП-транзисторы составляют основу КМОП микросхем.

Переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, следовательно, носители инжектируются в базу. Так как толщина базы меньше их диффузионной длины, они преодолевают область базы и попадают на контакт.