Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [ 65 ] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

Переход

Нонцемтрааия носителей


Рис. 7.7. Концентрация носителей га+р-перехода в равновесии

всего образца. В результате этого энергетические уровни электронов в п+-/?-переходе выглядят так, как это показано иа рис. 7.6. Обозначение п указывает, что область л-тип а имеет более высокую степень легирования, чем область р-типа. В результате уровень Ферми располагается в непосредственной близости от края зоны проводимости. Возникающая внутренняя разность потенциалов Vd называется диффузионным потенциалом, который препятствует диффузии

основных носителей. В результате потоки электронов из «-области и в нее уравновешиваются. То же самое относится и к потокам дырок в р-область н из нее.

Из формул (7.2.4) и (7.2.5) следует, что концентрации основных носителей будут экспоненциально изменяться при изменении внутреннего потенциала- В результате область около перехода, где изменяется потенциал, отиосительио обедняется носителями тока. Эта область обычно называется обедненной областью или обедненным слоем. Изменение концентрации свободных электронов и дырок в р-п-переходе в равновесном состоянии показано иа рис. 7.7, где п„о - равновесная концентрация основных электронов в материале п-типа; р„о - равновесная концентрация неосновных дырок в материале п-типа; Рро - равновесная концентрация основных дырок в материале р-типа; Пу - равновесная концентрация неосновных электронов в материале р-типа. Таким образом,

«по Рт "ро PiO = •

(7.3.1)

Отметим, что в примесном полупроводнике п-типа концентрация свободных электронов л„о будет совпадать с концентрацией доиорной примеси По- А-нелогично в полупроводнике р-типа мы можем предположить, что ffjtu совпадает с пл - суммарной концентрацией акцепторной примеси. Тогда, используя (7.3.1), получим «

= nf /Рро « nF/пл и р„о = п?/п„о « nf/По.

(7.3.2), (7.3.3)

7.3.2. ОАещенный р-л-переход

Внешнее напряжение, приложенное к р-л-переходу, будет разрушать равновесие. В зависимости от полярности приложенного напряжения потенциальный барьер будет повышаться или понижаться.



Барьер снижается, если к р-области приложен положит"льный потенциал. В результате поток основных носителей через р-п-переход возрастает пропорционально ехр (eV/kT), но поток неосновных носителей остается неизменным. Таким образом, вольт-амперная характеристика должна иметь вид

A-=/„,[exp(fF/*r)-ll.

(7.3.4)

где /о1 - ток насыщения, пропорциональный площади перехода и я. Он экспоненциально зависит от (г/кТ).

Для многих полупроводниковых материалов обнар/живается отклонение от формулы (7.3.4). Это связано с двумя эффектами. Первый объясняется генерацией и рекомбинацией носителей на поверхности или внутри обедненного слоя, что может привести к дополнительному току

/г 2 lexp{eV/2kT) - П. - (7.3.5)

Поскольку пропорционален nj, более заметен в 1!1ирокозонных полупроводниках, где он преобладает в общем токе / /i + при низких напряжениях. Второй эффект является следствием омических потерь в полупроводнике и на контактах. Этим эффектом обусловлена часть напряжения, пропорциональная общему току. Его вклад в об-

Вакуумный уровень

Свободные

элентрвны

Распредеяемие концентрации.

f Сечение 8

-»-Дырка


Энергия электронов

Сечение Л Сечение С

Свободные

эяентрот/

Распредеяение нонцентрацаи.

Дырки

Рис. 7.8. Э.кктронные уровни энергии положительно смещенного л+р-перехода

Концентрации свободных электронов и дырок изменяются, что обусловлено диффузиеЯ носителей вне обедненного слоя. Распределение электронов в зоне яроводимостн остается равновесным иа участке от А .до С. Диффузия между С и О приводит к снижению концен-грацин электронов до равновесного состояния. Дырки остаютси в квашравновесни от О до е. Диффузия между В и А приводит к снижению концентрации дырок до равновесного состояния рпс



Рис. 7.9. Концентрация носителей положительно смещенного я+р-пере-хода

Переход

Концентрация носителей =-----f -rif


Избыточные дырни,имтектиро-Ванные в область, п -типа \ "fH

Избыточные элвнтроны. .интентироВанмые В % о Власть р-типа.

щую характеристику /?-п-перехода становится существенным при больших токах. Более детальное описание теории полупроводников содержится, например, в [7.2]. К обсуждению этих вопросов вернемся в § 9.1.

Необходимо отметить, что формулы (7.3.4) и (7.3.5) справедливы как при отрицательных, так и при положительных напряжениях. При К <: О / + /о2- Поэтому становится ясно, почему в системах свя-

зи оптические детекторы на /?-п-переходе работают при V <; О, т. е. при отрицател .ном смещении. Детальное обсуждение режимов работы будет приведено в § 7.6.

При V > О, т. е. при положительном смещении, избыточные носители инжектируются в полупроводник по обе стороны обедненного слоя. Преодолев барьер, они попадают в область, где становятся неосновными. Поток основных носителей компенсирует заряд инжектированных носителей. В результате возникает электрический ток через переход и возрастает скорость рекомбинации.

Одним из результатов рекомбинации может явиться рождение фотона вследствие инжекционной люминесценции. Рассмотрим этот процесс более тщательно, чтобы понять принцип действия источников оптического излучения.

На рис. 7.8 показаны энергетические уровни электронов при положительном смещении п"*"-/?-перехода. Результат действия прямого смещения на концентрацию носителей представлен на рис. 7.9, который можно сравнить с рис. 7.7.

В неравновесных условиях будем использовать обозначения п и р для концентраций электронов и дырок. Концентрация избыточных электронов в материале /?-типа вне обедненного слоя может быть запи-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [ 65 ] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0012