Трофимова Т.И. Курс физики

Подождите немного. Документ загружается.

Наряду с поглощением, приводя-

щим к появлению фотопроводимости,

может иметь место экситонный меха-

низм поглощения.

Экситоны

представ-

ляют собой квазичастицы — электри-

чески нейтральные связанные состоя-

ния электрона и дырки, образующиеся

в случае возбуждения с энергией, мень-

шей ширины запрещенной зоны. Уров-

ни энергии экситонов располагаются у

дна зоны проводимости. Так как экси-

тоны электрически нейтральны, то их

возникновение в полупроводнике не

приводит к появлению дополнитель-

ных носителей тока, вследствие чего

экситонное поглощение света не сопро-

вождается увеличением фотопроводи-

мости.

§ 245. Люминесценция

твердых тел

В природе давно известно излуче-

ние, отличное по своему характеру от

всех известных видов излучения (теп-

лового излучения, отражения, рассея-

ния света и т.д.). Этим излучением яв-

ляется люминесцентное излучение, при-

мерами которого может служить свече-

ние тел при облучении их видимым,

ультрафиолетовым и рентгеновским

излучением,

^-излучением

и т. д. Веще-

ства, способные под действием различ-

ного рода возбуждений светиться, по-

лучили название люминофоров.

Люминесценция — неравновесное

излучение, избыточное при данной тем-

пературе над тепловым излучением

тела и имеющее длительность, большую

периода световых колебаний. Первая

часть этого определения приводит к

выводу, что люминесценция не являет-

ся тепловым излучением (см. § 197),

поскольку любое тело при температу-

ре выше О К излучает электромагнит-

ные волны, а такое излучение является

тепловым. Вторая часть показывает, что

люминесценция не является таким ви-

дом свечения, как отражение и рассея-

ние света, тормозное излучение заря-

женных частиц и др. Период световых

колебаний составляет примерно

10~

с,

поэтому длительность, по которой све-

чение можно отнести к люминесцен-

ции, больше — примерно 1СГ

с. При-

знак длительности свечения дает воз-

можность отличить люминесценцию от

других неравновесных процессов. Так,

по этому признаку удалось установить,

что излучение Черенкова

—Вавилова

(см. § 189) нельзя отнести к люминес-

ценции.

В зависимости от способов возбуж-

дения различают: фотолюминесцен-

цию (под действием света), рентгено-

люминесценцию (под действием рент-

геновского излучения), катодолюми-

несценцию (под действием электро-

нов), электролюминесценцию (под

действием электрического поля), ра-

диолюминесценцию (при возбуждении

ядерным излучением, например

^-излу-

чением, нейтронами, протонами), хе-

милюминесценцию (при химических

превращениях), триболюминесцен-

цию (при растирании и раскалывании

некоторых кристаллов, например саха-

ра). По длительности свечения условно

различают: флуоресценцию

10~

с)

и фосфоресценцию — свечение, продол-

жающееся заметный промежуток време-

ни после прекращения возбуждения.

Первое количественное исследова-

ние люминесценции проведено более

150 лет назад Дж. Стоксом

, сформули-

ровавшим в 1852 г. следующее прави-

ло: длина волны люминесцентного из-

лучения всегда больше длины волны

Дж.

Стоке

(1819—1903) — английский фи-

зик и математик.

461

Спектр поглощения Спектр

(возбуждения) люминесценции

Рис. 329

света, возбудившего его (рис. 329). Со-

гласно квантовой теории, правило Сто-

кса означает, что энергия hv падающе-

го фотона частично расходуется на ка-

кие-то неоптические процессы, т. е.

откуда

1Л

|ЮМ

или

люм

> X, что и сле-

дует из сформулированного правила.

Основной энергетической характери-

стикой люминесценции является энер-

гетический выход, введенный С. И. Ва-

виловым в 1924 г., — отношение энер-

гии, излученной люминофором при

полном высвечивании, к энергии, по-

глощенной им. Типичная для органи-

ческих люминофоров (на примере ра-

створа флуоресцина) зависимость энер-

гетического выхода

г)

от длины волны X

возбуждающего света представлена на

рис. 330.

Из рисунка следует, что вначале

т)

растет пропорционально X, а затем, до-

стигая максимальною значения, быст-

ро спадает до нуля при дальнейшем уве-

личении X {закон Вавилова). Величи-

на энергетического выхода для различ-

ных люминофоров колеблется в до-

вольно широких пределах, максималь-

ное ее значение может достигать при-

мерно 80 %.

Твердые тела, представляющие со-

бой эффективно люминесцирующие

искусственно приготовленные кристал-

лы с чужеродными примесями, получи-

ли название кристаллофосфоров.

На примере кристаллофосфоров

рассмотрим механизмы возникновения

люминесценции с точки зрения зонной

теории твердых тел. Между валентной

зоной и зоной проводимости кристал-

лофосфора

располагаются примесные

уровни активатора (рис. 331). При по-

глощении атомом активатора фотона с

энергией hv электрон с примесного

уровня переводится в зону проводимо-

сти, свободно

перемещается

по крис-

таллу до тех пор, пока не встретится с

ионом активатора и не рекомбинирует

с ним, перейдя вновь на примесный

уровень. Рекомбинация сопровождает-

ся излучением кванта люминесцентно-

го свечения. Время высвечивания лю-

минофора определяется временем жиз-

ни возбужденного состояния атомов

активатора, которое обычно не превы-

шает миллиардных долей секунды. По-

этому свечение является кратковремен-

ным и исчезает почти вслед за прекра-

щением облучения.

Для возникновения длительного

свечения (фосфоресценции) кристал-

лофосфор

должен содержать также

центры захвата, или ловушки для

электронов, представляющие собой не-

заполненные локальные уровни (на-

пример,

Л\

лежащие вблизи дна

зоны проводимости (рис. 332). Они

могут быть образованы атомами приме-

сей, атомами в междоузлиях и т. д. Под

действием света атомы активатора воз-

буждаются, т. е. электроны с примесно-

го уровня переходят в зону проводи-

мости и становятся свободными. Одна-

ко они захватываются ловушками, в

результате чего теряют свою подвиж-

ность, а следовательно, и способность

рекомбинировать с ионом активатора.

Освобождение электрона из ловуш-

ки требует затраты определенной энер-

гии, которую электроны могут полу-

чить, например, от тепловых колебаний

решетки. Освобожденный из ловушки

электрон попадает в зону проводимос-

ти и движется по кристаллу до тех пор,

пока не будет снова захвачен ловушкой,

или не рекомбинирует с ионом актива-

тора. В последнем случае возникает

квант люминесцентного излучения.

Длительность этого процесса определя-

ется временем пребывания электронов

в ловушках.

Явление люминесценции получило

широкое применение в практике, на-

пример люминесцентный анализ —

метод определения состава вещества по

характерному его свечению. Этот ме-

тод, являясь весьма чувствительным

(примерно

10~

г/см

), позволяет об-

наруживать наличие ничтожных при-

месей и применяется при тончайших

исследованиях в биологии, медицине,

пищевой промышленности и т.д. Лю-

минесцентная дефектоскопия позво-

ляет обнаружить тончайшие трещины

на поверхности деталей машин и дру-

гих изделий (исследуемая поверхность

покрывается для этого люминесцент-

ным раствором, который после удале-

ния остается в трещинах).

Люминофоры используются в лю-

минесцентных лампах, являются актив-

ной средой оптических квантовых гене-

раторов (см. § 233) и

сцинтиллятров

(будут рассмотрены ниже), применяют-

ся в электронно-оптических преобразо-

вателях (см. § 169), для создания ава-

рийного и маскировочного освещения

и для изготовления светящихся указа-

телей различных приборов.

§ 246. Контакт двух металлов

по зонной теории

Если два различных металла при-

вести в соприкосновение, то между

ними возникает разность потенциалов,

называемая контактной разностью

потенциалов. Итальянский физик

А. Вольта (1745 — 1827) установил, что

если металлы

Al,

Zn,

Sn,

Pb, Sb, Bi, Hg,

Fe,

Cu,

Ag,

Аи,

Pt,

привести в кон-

такт в указанной последовательности,

то каждый предыдущий при соприкос-

новении с одним из следующих метал-

лов зарядится положительно. Этот ряд

называется

рядом Вольта. Контактная

разность потенциалов для различных

металлов составляет от десятых до це-

лых

вольт.

А. Вольта экспериментально устано-

вил два закона.

Контактная разность потенциалов

зависит лишь от химического состава и

температуры соприкасающихся метал-

лов.

2. Контактная разность потенциалов

последовательно соединенных различ-

ных проводников, находящихся при

одинаковой температуре, не зависит от

химического состава промежуточных

проводников и равна контактной раз-

ности потенциалов, возникающей при

непосредственном соединении крайних

проводников.

Для объяснения возникновения

контактной разности потенциалов вос-

пользуемся представлениями зонной

463

Рис. 333

теории. Рассмотрим контакт двух ме-

таллов с различными работами выхода

т.е. с различными положени-

ями уровня Ферми (верхнего запол-

ненного электронами энергетического

уровня).

Если

(этот случай изобра-

жен на рис. 333, а), то уровень Ферми

располагается в металле 1 выше, чем в

металле 2. Следовательно, при контак-

те металлов электроны с более высоких

уровней металла 1 будут переходить на

более низкие уровни металла 2, что при-

ведет к тому, что металл 1 зарядится

положительно, а металл 2 — отрица-

тельно. Одновременно происходит от-

носительное смещение энергетических

уровней: в металле, заряжающемся по-

ложительно, все уровни смещаются

вниз, а в металле, заряжающемся отри-

цательно, — вверх. Этот процесс будет

происходить до тех пор, пока между со-

прикасающимися металлами не устано-

вится равновесие, которое, как доказы-

вается в статистической физике, харак-

теризуется совпадением уровней Фер-

ми в обоих металлах (рис. 333, б).

Так как для соприкасающихся ме-

таллов уровни Ферми совпадают, а ра-

боты выхода

не изменяются

(они являются константами металлов

и не зависят от того, находятся метал-

лы в контакте или нет), то потенциаль-

ная энергия электронов в точках, лежа-

щих вне металлов в непосредственной

близости к их поверхности (точки А и

В на рис. 333, б), будет различной. Сле-

довательно, между точками А и В уста-

навливается разность потенциалов, ко-

торая, как следует из рисунка, равна

(246.1)

Разность потенциалов (246.1), обус-

ловленная различием работ выхода

контактирующих металлов, называется

внешней контактной разностью по-

тенциалов. Чаще говорят просто о кон-

тактной разности потенциалов, подра-

зумевая под ней внешнюю.

Если уровни Ферми для двух кон-

тактирующих металлов не одинаковы,

то между внутренними точками метал-

лов наблюдается внутренняя контак-

тнаяразность

потенциалов, которая,

как следует из рисунка, равна

(246.2)

В квантовой теории доказывается,

что причиной возникновения внутрен-

ней контактной разности потенциалов

является различие концентраций элек-

тронов в контактирующих металлах.

Акр"

зависит от температуры

контак-

та металлов (поскольку наблюдается

зависимость

от Т), обусловливая

термоэлектрические явления. Как пра-

вило,

Дф"

Дф'.

Если, например, привести в сопри-

косновение три разнородных провод-

ника, имеющих одинаковую температу-

ру, то разность потенциалов между кон-

цами разомкнутой цепи равна алгебра-

ической сумме скачков потенциала во

464

всех контактах. Она, как можно пока-

зать (предоставляем это сделать чита-

телю), не зависит от природы промежу-

точных проводников (второй закон

Вольта).

Внутренняя контактная разность

потенциалов возникает в двойном элек-

трическом слое, образующемся в при-

контактной области и называемом кон-

тактным слоем. Толщина контактно-

го слоя в металлах составляет пример-

но

10~

м, т.е. соизмерима с междо-

узельными расстояниями в решетке ме-

талла. Число электронов, участвующих

в диффузии через контактный слой, со-

ставляет примерно 2 % от общего чис-

ла электронов, находящихся на повер-

хности металла.

Столь незначительное изменение

концентрации электронов в контакт-

ном слое, с одной стороны, и малая по

сравнению с длиной свободного пробе-

га электрона его толщина — с другой,

не могут привести к

заметном)'

измене-

нию проводимости контактного

слоя

по

сравнению с остальной частью метал-

ла. Следовательно, электрический ток

через контакт двух металлов проходит

так же легко, как и через сами металлы,

т.е. контактный слой проводит элект-

рический ток в обоих направлениях

(

—>•

2 и 2

-~>

1) одинаково и не дает эф-

фекта выпрямления, который всегда

связан с односторонней проводимостью.

§ 247. Термоэлектрические

явления и их применение

Согласно второму закону Вольта, в

замкнутой цепи, состоящей из несколь-

ких металлов, находящихся при одина-

ковой температуре, ЭДС не возникает,

т. е. не происходит возбуждения элект-

рического тока. Однако если темпера-

тура контактов не одинакова, то в цепи

возникает

электрический

ток, называ-

емый термоэлектрическим. Явление

возбуждения термоэлектрического то-

ка (явление Зеебека), а также тесно свя-

занные с ним явления

Пелътъе

и Томсо-

на называются термоэлектрически-

ми явлениями.

Явление Зеебека (1821). Немец-

кий физик Т. Зеебек (1770 — 1831) об-

наружил, что в замкнутой цепи, состо-

ящей из последовательно соединенных

разнородных проводников,

контакты

между которыми имеют различную

температуру, возникает электрический

ток.

Рассмотрим замкнутую цепь, состо-

ящую из двух металлических провод-

ников

и 2 с температурами спаев

(контакт А) и

(контакт В), причем

(рис. 334).

Не вдаваясь в подробности, отметим,

что в замкнутой цепи для многих пар

металлов (например,

Си—Bi,

Ag—Си,

Аи—Си)

электродвижущая сила прямо

пропорциональна разности температур

в контактах:

Эта

ЭДС

называется термоэлектро-

движущей силой. Направление тока

при

на рис. 334 показано стрел-

кой. Термоэлектродвижущая сила, на-

пример для пары металлов «медь — кон-

стантан», для разности температур 100 К

составляет всего 4,25 мВ.

Причина возникновения термоэлек-

тродвижущей ЭДС ясна уже из форму-

лы (246.2), определяющей внутреннюю

контактную разность потенциалов на

границе двух металлов. Дело в том, что

положение уровня Ферми зависит от

температуры. Поэтому если температу-

ры контактов разные, то разными будут

и внутренние контактные разности по-

тенциалов. Таким образом, сумма скач-

ков потенциала отлична от нуля, что и

465

Рис.

334

Рис.

335

приводит к возникновению термоэлек-

трического тока. Отметим также, что

при градиенте температуры происходит

и диффузия электронов, которая тоже

обусловливает

термо-ЭДС.

Явление Зеебека не противоречит

второму началу термодинамики, так

как в данном случае внутренняя энер-

гия преобразуется в электрическую, для

чего используется два источника тепло-

ты (два контакта). Следовательно, для

поддержания постоянного тока в рас-

сматриваемой цепи необходимо под-

держивать постоянство разности темпе-

ратур контактов: к более нагретому кон-

такту непрерывно подводить теплоту, а

от холодного — непрерывно ее отводить.

Явление

Зссбека

используется для изме-

рения температуры. Для этого применяют-

ся термоэлементы, или термопары —

датчики температур,

состоящие

из двух со-

единенных между собой разнородных ме-

таллических проводников. Если контакты

(обычно спаи) проводников (проволок), об-

разующих термопару, находятся при разных

температурах, то в цепи возникает термо-

электродвижущая сила, которая зависит от

разности температур контактов и природы

применяемых материалов.

Чувствитель-

ность термопар выше, если их соединять

последовательно. Эти соединения называ-

ются термобатареями (или термостол-

биками).

Термопары применяются как для изме-

рения ничтожно малых разностей

темпера-

тур, так и для измерения очень высоких и

очень низких температур (например, внут-

ри доменных печей или жидких газов). Точ-

ность определения температуры с помощью

термопар составляет, как правило, несколь-

ко

кельвин,

а у некоторых термопар дости-

гает

«0,01

К. Термопары обладают рядом

преимуществ перед обычными термометра-

ми: имеют большую чувствительность и ма-

лую инерционность, позволяют проводить

измерения в широком интервале темпера-

тур и допускают дистанционные измерения.

Явление Зеебека в принципе может быть

использовано для генерации электрическо-

го тока. Так, уже сейчас КПД полупровод-

никовых термобатарей достигает

«18

Следовательно, совершенствуя полупровод-

никовые термоэлектрогенераторы, можно

добиться эффективного прямого преобразо-

вания солнечной энергии в электрическую.

2. Явление Пельтье (1834). Фран-

цузский физик Ж. Пельтье (1785 —

1845) обнаружил, что при прохождении

через контакт двух различных провод-

ников электрического тока в зависимо-

сти от его направления помимо джоу-

левой теплоты выделяется или погло-

щается дополнительная теплота. Таким

образом, явление

Пелътье

является об-

ратным по отношению к явлению Зее-

бека. В отличие от джоулевой теплоты,

которая пропорциональна квадрату

силы тока, теплота Пельтье пропорци-

ональна первой степени силы тока и

меняет знак при изменении направле-

ния тока.

Рассмотрим замкнутую цепь, состо-

ящую из двух разнородных металличес-

ких проводников

и 2 (рис. 335), по ко-

торым пропускается ток /' [его направ-

ление в данном случае выбрано совпа-

дающим с направлением термотока (на

рис. 334 при условии

Т\

)\.

Соглас-

но наблюдениям Пельтье, спай А, ко-

торый при явлении Зеебека поддержи-

вался бы при более высокой темпера-

туре, будет теперь охлаждаться, а спай

В — нагреваться. При изменении на-

правления тока /' спай А будет нагре-

ваться, спай В — охлаждаться.

466

Объяснить явление Пельтье можно

следующим образом. Электроны по раз-

ную сторону спая обладают различной

средней энергией (полной — кинетичес-

кой плюс потенциальной). Если элект-

роны (направление их движения зада-

но на рис. 335 пунктирными стрелками)

пройдут

через спай В

попадут в об-

ласть с меньшей энергией, то избыток

своей энергии они отдадут кристалли-

ческой решетке и спай будет нагревать-

ся. В спае А электроны переходят в об-

ласть с большей энергией, забирая те-

перь недостающую энергию у кристал-

лической решетки, и спай будет охлаж-

даться.

Явление Пельтье используется в тер-

моэлектрических полупроводниковых

холодильниках, созданных впервые в

1954 г. под руководством А. Ф. Иоффе,

и в некоторых электронных приборах.

3. Явление Томсона (1856). Вильям

Томсон (Кельвин), исследуя термо-

электрические явления, пришел к зак-

лючению, подтвердив его эксперимен-

тально, что при прохождении тока по

неравномерно нагретому проводнику

должно происходить дополнительное

выделение (поглощение) теплоты, ана-

логичной теплоте Пельтье. Это явление

получило название явления Томсона.

Его можно объяснить следующим об-

разом.

Так как в более нагретой части про-

водника электроны имеют большую

среднюю энергию, чем в менее нагре-

той, то, двигаясь в направлении убыва-

ния температуры, они отдают часть сво-

ей энергии решетке, в результате чего

происходит выделение теплоты Томсо-

на. Если же электроны движутся в сто-

рону возрастания температуры, то они,

наоборот, пополняют свою энергию за

счет энергии решетки, в результате чего

происходит поглощение теплоты Том-

сона.

§ 248. Выпрямление на контакте

металл—полупроводник

Рассмотрим некоторые особенности

механизма процессов, происходящих

при приведении в контакт металла с

полупроводником. Для этого возьмем

полупроводник n-типа с работой выхо-

да А,

меньшей

работы выхода

из ме-

талла. Соответствующие энергетичес-

кие диаграммы до и после приведения

в контакт показаны на рис. 336, а, б.

Если

> А, то при контакте элект-

роны из полупроводника будут перехо-

дить в металл, в результате чего контак-

тный слой полупроводника обеднится

электронами и зарядится положитель-

но, а металл — отрицательно. Этот про-

цесс будет происходить до достижения

равновесного состояния, характеризу-

емого, как и при контакте двух метал-

лов, выравниванием уровней Ферми

для металла и полупроводника.

На контакте образуется двойной

электрический слой d, поле которого

(контактная разность потенциалов)

препятствует дальнейшему переходу

электронов. Вследствие малой концен-

трации электронов проводимости в по-

лупроводнике (порядка 10

см~

вмес-

то 10

см~

в металлах) толщина кон-

тактного слоя в полупроводнике дости-

гает примерно 10~

см, т.е. примерно

в 10 000 раз больше, чем в металле. Кон-

тактный слой полупроводника обеднен

основными носителями тока — элект-

ронами в зоне проводимости, и его со-

противление значительно больше, чем

в остальном объеме полупроводника.

Такой контактный слой называется

запирающим.

При d =

10"°

см и

Дф

«1В

напря-

женность электрического поля контак-

тного слоя Е =

В/м. Такое

контактное поле не может сильно по-

467

влиять на структуру спектра (напри-

мер, на ширину запрещенной зоны, на

энергию активации примесей и т.д.) и

его действие сводится лишь к парал-

лельному искривлению всех энергети-

ческих уровней полупроводника в об-

ласти контакта (рис. 336, б). Так как в

случае контакта уровни Ферми вырав-

ниваются, а работы выхода — величи-

ны постоянные, то при

> А энергия

электронов в контактном слое полупро-

водника больше, чем в остальном объе-

ме. Поэтому в контактном слое дно

зоны проводимости поднимается вверх,

удаляясь от уровня Ферми. Соответ-

ственно происходит и искривление вер-

хнего края валентной зоны, а также до-

норного уровня.

Помимо рассмотренного выше при-

мера возможны еще следующие три

случая контакта металла с примесны-

ми полупроводниками: а)

< А, по-

лупроводник n-типа; б)

> А, полу-

До контакта

Металл Полупроводник

проводник

р-типа;

в)

< А, полупро-

водник

р-типа.

Соответствующие зон-

ные схемы показаны на рис. 337.

Если

< А, то при контакте метал-

ла с полупроводником n-типа электро-

ны из металла переходят в полупровод-

ник и образуют в контактном слое по-

лупроводника отрицательный объем-

ный заряд (рис. 337, а). Следовательно,

контактный слой полупроводника об-

ладает повышенной проводимостью,

т. е. не является запирающим. Рассуж-

дая аналогично, можно показать, что

искривление энергетических уровней

по сравнению с контактом металл —

полупроводник n-типа

(А

> А) проис-

ходит в обратную сторону.

При контакте металла с полупровод-

ником

р-типа

запирающий слой обра-

зуется при

< А (рис. 337, в), так как

в контактном слое полупроводника на-

блюдается избыток отрицательных

ионов акцепторных примесей и недо-

После контакта

Металл Полупроводник

—

v | п-типа

468

статок основных

носителей

тока— ды-

рок в валентной зоне. Если же

> А

(рис. 337, б), то в контактном слое по-

лупроводника р-типа наблюдается из-

быток основных носителей тока — ды-

рок в валентной зоне, контактный слой

обладает повышенной проводимостью.

Исходя из приведенных рассужде-

ний, видим, что запирающий контакт-

ный слой возникает при контакте до-

норного полупроводника с меньшей ра-

ботой выхода, чем у металла (см. рис.

336, б), и у акцепторного — с большей

работой выхода, чем у металла (см. рис.

337, в).

Запирающий контактный слой обла-

дает односторонней (вентильной)

проводимостью, т.е. при приложении

к контакту внешнего электрического

поля он пропускает ток практически

только в одном направлении: либо из

металла в полупроводник, либо из по-

лупроводника в металл. Это важнейшее

свойство запирающего слоя объясняет-

ся зависимостью его сопротивления от

направления внешнего поля.

Если направления внешнего и контак-

тного полей противоположны, то основ-

ные носители тока втягиваются в контак-

тный слой из объема полупроводника;

толщина контактного слоя, обедненно-

го основными носителями тока, и его со-

противление уменьшаются. В этом на-

правлении, называемом пропускным,

электрический ток может проходить че-

рез контакт металл — полупроводник.

Если внешне поле совпадает по зна-

ку с контактным, то основные носители

тока будут перемещаться от границы с

металлом; толщина обедненного слоя

возрастает, возрастает и его сопротивле-

ние. Очевидно, что в этом случае ток че-

рез контакт отсутствует, выпрямитель

заперт —

это

запорное направление. Для

запирающего слоя на границе металла

с полупроводником n-типа

(,4

> А)

пропускным является направление

тока из металла в полупроводник, а для

запирающего слоя на границе металла

с полупроводником р-типа

(А

< А) —

из полупроводника в металл.

§ 249. Контакт электронного

и дырочного полупроводников

(р-л-переход)

Граница соприкосновения двух по-

лупроводников, один из который име-

ет электронную, а другой — дырочную

проводимость, называется электрон-

но-дырочным переходом (или р-п-пе-

реходом). Эти переходы имеют боль-

шое практическое значение, являясь ос-

новой работы многих полупроводнико-

вых приборов. p-n-Переход нельзя осу-

ществить просто механическим соеди-

нением двух полупроводников. Обыч-

но области различной проводимости

создают либо при выращивании крис-

таллов, либо при соответствующей об-

работке кристаллов. Например, на кри-

сталл

германия

n-типа накладывается

индиевая «таблетка» (рис. 338,

а).

Эта

система нагревается примерно при

500 °С в вакууме или в атмосфере инер-

тного газа; атомы индия диффундиру-

ют на некоторую глубину в германий.

Затем расплав медленно охлаждают.

Так как германий (Ge), содержащий

индий (In), обладает дырочной прово-

димостью, то на границе закристалли-

зовавшегося расплава и

германия

п-типа

образуется p-n-переход (рис. 338, б).

Рис.

338

469

Рассмотрим физические процессы,

происходящие в

p-n-переходе

(рис. 339).

Пусть донорный полупроводник (рабо-

та выхода —

уровень Ферми —

приводится в контакт (рис. 339, б) с ак-

цепторным полупроводником (работа

выхода —

уровень Ферми —

Электроны из n-полупроводника, где

их концентрация выше, будут диффун-

дировать в

^-полупроводник,

где их

концентрация ниже. Диффузия же ды-

рок происходит в обратном направле-

нии — в направлении р

—>

п.

В n-полупроводнике из-за ухода

электронов вблизи границы остается

нескомпенсированный положительный

объемный заряд неподвижных ионизо-

ванных донорных атомов. В

р-полупро-

воднике из-за ухода дырок вблизи гра-

ницы образуется отрицательный объем-

ный заряд неподвижных ионизованных

акцепторов (рис. 339, а). Эти объемные

Рис.

339

заряды образуют у границы двойной

электрический слой, поле которого, на-

правленное от n-области к р-области,

препятствует дальнейшему переходу

электронов в направлении n

—»

p и ды-

рок в направлении р

—>

п.

Если концен-

трация доноров и акцепторов в полу-

проводниках п-

р-типа одинаковы, то

толщины слоев

(рис. 339, в), в

которых локализуются неподвижные

заряды, равны

При определенной толщине р-п-пе-

рехода наступает равновесное состоя-

ние, характеризуемое выравниванием

уровней Ферми для обоих полупровод-

ников (рис. 339, в). В области р-п-пере-

хода энергетические зоны искривляют-

ся, в результате чего возникают потен-

циальные барьеры как для электронов,

так и для дырок. Высота потенциально-

го барьера ар определяется первоначаль-

ной разностью положений уровня Фер-

ми в обоих полупроводниках. Все энер-

гетические уровни акцепторного по-

лупроводника подняты относительно

уровней донорного полупроводника на

высоту, равную

etp,

причем подъем про-

исходит на толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя

p-n-перехода

в по-

лупроводниках составляет примерно

10~°—

1СГ

м, а контактная разность по-

тенциалов — десятые доли вольт. Но-

сители тока способны преодолеть та-

кую разность потенциалов лишь при

температуре в несколько тысяч граду-

сов, т. е. при обычных температурах рав-

новесный контактный слой является

запирающим (характеризуется повы-

шенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя

можно изменить с помощью внешнего

электрического поля. Если приложен-

ное к p-n-иереходу внешнее электричес-

кое поле направлено от п-полупровод-

ника к р-полупроводнику (рис. 340, а),

т. е. совпадает с полем контактного слоя,

470