Рекомбинационных процессов

Работа светоизлучающего диода основана на явлении индукционной электролюминесценции, т. е. излучения квантов света при рекомбинации носителей заряда в р-п переходе, смещенном в прямом направлении.

Принцип действия полупроводниковых индикаторов основан на излучении квантов света при рекомбинации носителей заряда в области p-n-перехода, к которому приложено прямое напряжение. К полупроводниковым индикаторам относится светодиод — полупроводниковый диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из области p-n-перехода сквозь прозрачное окно в корпусе. Цвет излучения определяется материалом, из которого выполнен светодиод. Выпускают светодиоды красного, желтого и зеленого свечения.

рекомбинации носителей заряда. Для 9~* 'Т Т 9 повышения быстродействия ключей

Процессы генерации и рекомбинации носителей протекают одновременно, и при установившейся температуре кристалл находится в состоянии равновесия, которое называется термодинамическим.

Концентрация носителей заряда в элементарном объеме полупроводника изменяется в результате генерации и рекомбинации носителей, а также из-за различия величин токов, втекающих и вытекающих из данного объема. Как отмечалось в § 1.8, движение носителей заряда обусловлено двумя процессами: диффузией и дрейфом. Следовательно, общее количество носителей в данном объеме полупроводника определяется непрерывными физическими процессами, протекающими в нем: генерацией, рекомбинацией, диффузией и дрейфом носителей.

По мере увеличения числа избыточных электронов в базе увеличиваются и их потери на рекомбинацию. Когда число электронов в базе, рекомбинирующих в единицу времени, становится равным числу дырок, приходящих в базу из внешней цепи, процесс нарастания заряда в базе прекращается и Q5 будет равным /61тн. Постоянная времени в режиме насыщения тн меньше постоянной времени нарастания заряда в активном режиме Тр вследствие возрастания рекомбинации носителей заряда.

Поскольку эффективность работы эмиттера пропорциональна концентрации примесей в его области, а в горизонтальной структуре транзистора наиболее легированная часть эмиттера, а также минимальная ширина базы находятся вблизи поверхности, большая часть носителей, достигающая коллектора, сконцентрирована вблизи поверхности. Вследствие этого при работе в микрорежимах, когда значение поверхностной рекомбинации носителей заряда особенно велико, происходит более резкое снижение коэффициента усиления, чем в обычных вертикальных транзисторах.

Работа светоизлучающего диода основана на явлении индукционной электролюминесценции, т. е. излучения квантов света при рекомбинации носителей заряда в р-п переходе, смещенном в прямом направлении.

Работа светоизлучающего диода основана на явлении индукционной электролюминесценции, т. е. излучения квантов света при рекомбинации носителей заряда в р-п переходе, смещенном в прямом направлении.

Работа либо в области насыщения, либо в области отсечки присуща импульсным и логическим схемам. При этом оба режима называют ключевыми. Важными параметрами ключевого режима транзистора считаются время нарастания тока коллектора, определяемое конечной скоростью накопления избыточного заряда в толще базы, и время рассасывания, определяемое инерционностью объемной и поверхностной рекомбинации носителей заряда. Для транзисторов широкого применения эти параметры не превышают 200—300 не, но могут быть снижены на один-два порядка специальными технологическими приемами.

Свободные электроны и дырки называются носителями зарядов, так как их направленное перемещение приводит к появлению тока в полупроводнике. Процесс появления в полупроводнике свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, вызванный нагревом полупроводника, называют термогенерацией носителей зарядов. Процесс возвращения свободных электронов из зоны проводимости в валентную зону, связанный с исчезновением носителей зарядов, называется рекомбинацией. В полупроводниковых материалах между процессами термогенерации и рекомбинации носителей зарядов устанавливается динамическое равновесие, при котором концентрация носителей зарядов, т. е. число свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне на 1 см3 полупроводника, остается неизменной при постоянной температуре полупроводника.

В большинстве практических случаев стремятся уменьшить ток базы, что достигается за счет снижения рекомбинационных процессов в базе. При этом улучшаются усилительные способности транзистора.

токов, рекомендуемым в качестве оптимальных. Для маломощных транзисторов они лежат в пределах 0,5-5 мА, для мощных транзисторов — единиц и десятков ампер. При малых токах заметно снижается коэффициент переноса х в результате усиления рекомбинационных процессов в базе при малой плотности неосновных носителей. С увеличением тока эмиттера начинает уменьшаться удельное сопротивление материала базы вследствие насыщения ее носителями заряда, что в свою очередь вызывает некоторое снижение коэффициента инжекции у. Спад коэффициента усиления /3 ограничивает максимальный рабочий ток транзистора. Для многих транзисторов это значение тока соответствует точке, где /3 = /Зтах/3.

нов и дырок. Рекомбинация электрона и дырки (см. 1.1, б) соответствует переходу электрона с энергетического уровня ЕС на энергетический уровень Ev с меньшим запасом энергии. Так как у германия и кремния ширина запрещенной зоны сравнительно невелика (соответственно 0,72 и 1,12 эВ), то выделяемая при протекании рекомбинационных процессов энергия поглощается в основном кристаллической решеткой полупроводника. Однако полупроводниковые материалы светодиодов имеют большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs &.E = 1,38 эВ). Поэтому в светодиодах часть освобождающейся энергии (при протекании рекомбинационных процессов) поглощается объемом полупроводника, а избыток излучается в виде квантов света в окружающее пространство и фиксируется зрительно.

На 17.32 представлена схема оптотранзистора с прямой оптической связью. Эмиттерный переход включен в прямом направлении. За счет рекомбинационных процессов он излучает свет. Коллектор включают в обратном направлении. Излучение с эмиттерного перехода поглощается в области коллекторного перехода, в результате в коллекторе и во внешней цепи проходит ток. Для работы оптотранзистора необходимо, чтобы в базе не поглощалось излучение, испускаемое эмиттерным р-п-пере-ходом. Для электрической изоляции входной и выходной цепей в базе параллельно с 17.32 p-n-переходами создают высокоомный слой.

нии. За счет рекомбинационных процессов он излучает свет. Коллектор включают в обратном направлении. Излучение с эмиттерного перехода поглощается в области коллекторного перехода, в результате в коллекторе и во внешней цепи проходит ток. Для работы оптотранзистора необходимо, чтобы в базе не поглощалось излучение, испускаемое эмиттерным p-n-переходом. Для электрической изоляции входной и выходной цепей в базе параллельно с p-n-переходами ( 1.56) создают высокоомный слой.

Эти уравнения показывают, что полный поток, связанный с одним актом, эквивалентен одному заряду носителя, как обычно и считают. Этот выходящий поток вызывает отклонение от равновесия, которое восстанавливается потоком q основных носителей, протекающим через металлический контакт в случае диода или через базовый контакт в случае триода. Отсюда сразу же следует, что, если сот/?<С1, составляющая тока базы, возникающая за счет генерационно-рекомбинационных процессов, вызывает дробовой шум.

Вольт-амперные характеристики большинства германиевых диодов на р—/г-переходах показывают хорошее согласие с формулой Шокли для идеального диода [уравнение (4.1)]. Ноэто не всегда так для случая кремниевых диодов при комнатной температуре, отступление от характеристик «идеального» диода связано с наличием генерации и рекомбинации носителей в обедненном слое. Статистика генерационно-рекомбинационных процессов через центры с одиночным энергетическим уровнем в запрещенной энергетической зоне для полупроводниковых материалов была развита Холлом [8], Шокли и Ридом [21] и в настоящее время подобные центры общепринято называть как ХШР-центры. Этот статистический подход был использован Са-хом, «Нойсом и Шокли [17] в качестве основы для получения отношения ток — напряжение для кремниевых р—/г-переходов. Эта теория показала, что в таких приборах в достаточно широком диапазоне напряжений смещения и температуры составляющая постоянного тока во внешней цепи, обусловленная актами рекомбинации и генерации носителей в обедненном слое, доминирует над диффузионной составляющей.

и коллектора, a /ES = /E—IBR — «идеальная» или диффузная составляющая постоянного тока эмиттера. Вид спектральной зависимости, задаваемой выражением (4.63), показывает, что флуктуации тока эмиттера включают в себя составляющую дробового шума из-за рекомбинационных процессов в обедненном слое и, кроме этого, составляющую, связанную с тепловыми флуктуациями и процессами рекомбинации — генерации в области базы. На низких частотах, когда GE^GEo, последняя

Вообще говоря, низкотемпературный шум ПТ нельзя объяснить, исходя из представлений только об одном механизме-возникновения шума. Хиатт с сотр. [22] выполнили измерения спектров шума при низких температурах в интервале 80—200 К на нескольких приборах и показали, что имеют место несколько типов генерационно-рекомбинационных процессов, два из которых они связали с присутствием ловушек в канале ПТ. Энергии активации, найденные для этих процессов, составляли 0,17—0,19 и 0,34—0,36 эВ. Менее глубокому уровню могут соответствовать ловушки захвата с энергией 0,16 эВ, которые часто присутствуют в кремнии, и, как правило, их связывают с присутствием кислорода "7, 35]; более глубокий уровень может быть связан с никелем, который имеет акцепторный уровень в кремнии на 0,35 эВ ниже дна зоны проводимости.

При низких температурах (ниже 200 К) спектры шумов кремниевых ПТ с р—^-переходом указывают на наличие нескольких типов генерационно-рекомбинационных процессов, однако компонента 1//-шума отсутствует [22]. Этот факт нахо-

Изменение времени жизни носителей при освещении приводит к различного рода нелинейным эффектам в фотопроводимости (сублинейность, сверхлинейность, гашение и др.). Особенности рекомбинационных процессов являются сложными и, многообразными и во многом определяют характеристики и параметры фотоприемников.