Концентрацией электронов

Внутренний фотоэффект — возбуждение электронов вещества, т. е. переход их на более высокий энергетический уровень под воздействием излучения, благодаря чему изменяется концентрация свободных носителей заряда, а следовательно, и электрические свойства вещества. В металлах внутренний фотоэффект не наблюдается. Он присущ только полупроводникам.

1.3. Закон распределения носителей в зонах полупроводника. Концентрация свободных носителей..............15

1.3. Закон распределения носителей в зонах полупроводника. Концентрация свободных носителей

Под действием электрического поля концентрация свободных

Концентрация носителей заряда в области перехода изменяется плавно от значения пп в электронной до значений пр в дырочной области и от рр в дырочной до рп в электронной. Следовательно, в области перехода имеет место пониженная концентрация свободных носителей. Иначе этот слой называют обедненным основными носителями заряда. Появление его сопровождается образованием вблизи р — «-перехода двойного электрического слоя, препятствующего движению через р — «-переход основных носителей. Таким образом, по отношению к основным носителям обедненный слой имеет повышенное сопротивление, поэтому его называют запирающим. Из 48

Из равенства (1.1) следует, что концентрация свободных электронов тем больше, чем выше температура полупроводника и меньше ширина запрещенной зоны.

Очевидно, в идеальном кристалле, не содержащем посторонних примесей и дефектов кристаллической решетки, концентрация свободных электронов п и концентрация дырок р будут одинаковыми: п =р .

донорных примесей образуют избыточный положительный объемный заряд. Величина этого заряда (и, конечно, концентрация свободных электронов) в нормальных условиях практически не зависит от температуры, а всецело определяется дозой примеси.

Если на затвор по отношению к истоку подается обратное смещение ( в данном случае отрицательное напряжение), то при отсутствии тока объемный заряд расширяется в толщу канала, а концентрация свободных электронов в нем соответственно снижается. При некотором уровне обратного смещения, называемом напряжением отсечки, объемный заряд может перекрыть все сечение канала, что равносильно уходу всех подвижных носителей заряда — электронов - в подложку ( 4.2,6).

При прямом смещении концентрация свободных носителей заряда в переходе увеличивается, поэтому генера-ционно-рекомбинационный процесс сдвигается в сторону рекомбинации и ток в прямом направлении возрастает на некоторую величину /рек. Ток /рск называют током рекомбинации. Можно показать, что отношение р е к о м-бинационного и диффузионного токов при прямом смещении определяется выражением

В r'-слое с собственной электропроводностью концентрация свободных носителей заряда весьма мала ( 3.8, б), поэтому практически вся область длиной W обеднена свободными носителями и распределение электрического поля в ней соответствует 3.8, в. Из-за сильной зависимости коэффициента ударной ионизации от напряженности электрического поля [см. (2.85)] область лавинного умножения сильно локализована ( 3.8, г), поэтому процесс умножения носителей заряда происходит в узком слое толщиной хум. Слой вне области умножения (л:ум •< х < W) называется областью дрейфа. Носители заряда, генерируемые в обратносмещенном /э+-/г-переходе, разделяются полем последнего и дрейфуют в нем. Электроны и дырки дрейфуют от области умножения толщиной л:ум до п+- и р+-областей соответственно ( 3.8, а). Путь и время дрейфа электронов значительно больше пути и времени дрейфа дырок. Поэтому временем дрейфа дырок можно пренебречь и считать, что все пролетное запаздывание тпр и связанное с ним динамическое ОС определяются дрейфующими электронами.

Наряду с дрейфовой возникает диффузионная составляющая тока, которая является следствием теплового движения электронов. При неравномерной концентрации носителей тепловое движение приобретает определенную направленность из области с большей в область с меньшей концентрацией электронов. Это объясняется тем, что в области, где концентрация электронов выше, вероятность столкновения электронов также выше. В результате электрон при хаотическом тепловом движении стремится отклониться в область с меньшей концентрацией, где будет испытывать меньше столкновений. Это направленное перемещение электронов в результате хаотического теплового движения называется диффузией и зависит от величины градиента концентрации.

Вместе с тем наличие в строенного (физически существующего) канала не является обязательным условием работоспособности полевого транзистора. Имеется еще одна разновидность МОП-транзисторов с так называемым индуцированным каналом, в подложке которых область канала не изготовляется. Естественно, изменяются условия работы ПТ: при отсутствии напряжения на затворе области истока и стока по отношению к подложке представляют собой два встречно-включенных перехода, препятствующих прохождению тока. Однако при больших уровнях положительного напряжения на затворе вблизи границы раздела подложка—диэлектрик возникает инверсный слой с увеличенной концентрацией электронов, "вытянутых" электрическим полем из приповерхностных слоев подложки и сильнолегированных областей истока и стока. Приборы этого типа могут работать только в режиме обогащения, поскольку появление тока стока обеспечивается напряжением на затворе выше порогового уровня. В условном обозначении таких приборов канал показывается штриховой линией ( 4.3,6) .

Влияние поверхностной проводимости. При измерении удельного сопротивления и других параметров тонких полупроводниковых слоев, толщина которых соизмерима с дебаевской длиной экранирования, необходимо учитывать наличие на их псверхности обедненных или обогащенных слоев, удельная проводимость которых отличается от удельной проводимости объема полупроводника (см. § 5.1). Возникновение этих слоев обусловлено существованием вблизи поверхности полупроводника области пространственного заряда, которая определяется приповерхностным изгибом энергетических зон и характеризуется положением уровкя Ферми на поверхности и в объеме полупроводника. Проводимость слоя объемного заряда вдоль поверхности называют поверхностной проводимостью Дал- Поверхностная проводимость обусловлена избыточной (по сравнению с объемной) концентрацией электронов Ал(у) и дырок Др(у) в приповерхностном слое:

Предположим, что в запрещенной зоне полупроводникового материала имеются донорные и акцепторные примесные уровни с энергией Ed, Ea и концентрацией Na, Na, причем Nd>Na. Концентрация отрицательных зарядов определяется суммарной концентрацией электронов по в зоне проводимости и концентрацией электронов на уровнях акцепторной примеси. Будем считать, что каждый атом акцепторной примеси захватывает только один электрон. Концентрация положительных зарядов складывается из дырок валентной зоны Ро и тех атомов донорной примеси, которые отдали свои электроны в зону проводимости. Концентрация электронов на

Для невырожденного донорного полупроводника в температурной области примесной электропроводности концентрацией дырок в валентной зоне можно пренебречь по сравнению с концентрацией электронов (ЛП^РО)- Кроме того, можно считать, ч--о все акцепторы ионизированы, т. е. Na-—Na. При этих предположгниях уравнение электронейтральности приобретает следующий вид:

Этот метод был использован при изучении кристаллов арсенида галлия, легированных теллуром, с концентрацией электронов 2-Ю16—6,5-1018 см~3. Возбуждение фотолюминесценции производилось на длине волны 6328 А с помощью гелий-неонового лазера. Энергия возбуждающего фотона /zv=l,96 эВ превосходила ширину запрещенной зоны, а коэффициент поглощения был равен 4-Ю4 см~'. Диапазон измеренных значений дифф>зионной длины составил 0,02—2,0 мкм.

Для ионно-внедренных слоев необходимо соблюдать требование на разрешение по толщине, зависящее от двух ;,ебаевских длин экранирования. Например, для кремния с концентрацией электронов 1015 см~3 дебаевская длина составляет 0,13 «км, что может оказаться сравнимым с толщиной ионно-внедренного слоя.

6.2. Спжтры отражения анташонида \ ндия с различной концентрацией электронов:

Модели полупроводников с электронной и дырочной электропроводностью представлены на 3.17, а. Основные носители заряда в полупроводнике п-типа - электроны - на рисунке обозначены знаком минус. Ионизированные атомы донорной примеси, будучи структурными элементами, не принимают участия в электропроводности. На рисунке они обозначены знаком плюс в кружке. Дырки, которые в электронном полупроводнике также имеют место.на рисунке не изображены, потому что они являются неосновными носителями заряда и концентрация их по сравнению с концентрацией электронов невелика. Аналогичные обозначения сделаны и для дырочного полупроводника.

8.19. Через транзистор типа p-n-р течет постоянный ток и концентрация дырок в базе превышает свое равновесное значение. Что будет происходить в результате этого с концентрацией электронов в базе?

При достаточно большом напряжении на коллекторе (получаемом за счет батареи Ек) значение тока в его цепи определяется сопротивлением нагрузки RK и концентрацией электронов в области базы, которая в свою очередь зависит от концентрации электронов проводимости в эмиттерной области и степени нейтрализации электрического поля перехода эмиттер--база, осуществляемой за счет напряжения батареи ?б. Если напряжение этой батареи равно нулю, то тормозящее поле перехода максимально и в область базы входит очень мало электронов, вследствие чего и ток коллектора мал. Если напряжение батареи в цепи базы достаточно велико, то запирающее поле эмиттерного перехода