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]

7.2. СОБСТВЕННЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

7.2.1. Собственные полупроводники

Излучение, возникающее при рекомбинации электронов и дырок, которые появляются в результате прямого смещения на переходе, известно как инжекционная люминесценция. Свет в процессе распространения по полупроводнику рождает электронно-дырочную пару, в результате чего происходит поглощение фотона. Если же к полупроводнику приложено электрическое напряжение, электроны и дырки будут разнесены в пространстве и можно заметить изменение электрического тока, если полупроводник включен в соответствующую схему. Здесь будут описаны свойства полупроводниковых материалов, которые могут быть использованы для генерации или детектирования света.

Для собственных полупроводников характерна меньшая электрическая проводимость, чем для металлов, которая быстро увеличивается при повышении температуры. Это свойство поясняется диаграммой, показывающей разрешенные уровни энергии электронов в материале. Уровни сливаются в полосы, как показано на рис. 7.1, а. Вакуумный уровень бо соответствует энергии покоя электрона вне поверхности полупроводника. Самая высокая зона разрешенных уровней внутри материала - зона проводимости. Она простирается на величину Zc от вакуумного уровня и обычно не заселена при низких температурах. Глубина этой зоны % = - известна как сродство к электрону материала. Зона проводимости отделена энергетическим зазором от следующей зоны, которая носит название валентной зоны, и в нормальном состоянии полностью заселена.

По мере роста температуры некоторые электроны возбуждаются через запрещенную зону, создавая некоторую концентрацию п свободных электронов в зоне проводимости. Соответственно в валентной зоне создается равная концентрация р вакансий или дырок. Это схематически показано на рис. 7.1, б. Как свободные электроны, так и дырки движутся в материале, благодаря чему создается электрическая проводимость. Концентрация, известная как концентрация собственных носителей п,, описывается выражением

п - р т = /Сехр {--e.g/2kT), (7.2.1)

К = 2{2пкТ/куЦт,т7\ - (7.2.2)

- константа, характеризующая материал; k - постоянная Больцмана (1,38-10- Дж/град), /I - постоянная Планка (6,626-10"* Дж-с); Ше nih - эффективные массы электронов и дырок, которые могут быть значительно меньше массы покоя свободного электрона (9,11-10-» кг).

В первом приближении можно ожидать, что электрическая проводимость будет пропорциональна концентрации носителей, поэтому про



водимость будет пропорциональна концентрации носителей, поэтому проводимость растет экспоненциально с ростом (zg/kT). Когда (zglkT) превышает 100, проводимость падает настолько, что полупроводник становится диэлектриком. Когда (Zg/kT) менее 10, материал становится полуметаллом.

На рис. 7.1, б указана энергия е, Характеризующая материал. Это энергия Ферми. Энергия уровня гр соответствует 50-процентной вероятности заселения электронами. Разность энергий ф = ео - гр известна как работа выхода. Энергетические уровни, лежащие на несколько кТ выше гр, имеют ничтожную вероятность заселения, а

Вакрдмный уровень

Зона

проводимости х

Запрещенная

зона £д

Валентная зона


Энергия электронов

Вакуумный уровень

Зона

проводимости


Валентная зона

электронов

-2кТ

Сйооодкые

-5 электроны

Распределение

нонцентрации

-- Дырки

Рис. 7.1. Схема электронных уровней собственного полупроводника: а - собственный полупроводник при низких температурах ведет себя как диэлек трнк; б - собственный полупроводник, в котором 10<е«/йГ<100 н электроны термически возбуждаются через запрещенную зону. Распределение концентрации электронов и дырок показано справа

7 Заказ 1425 193



уровни, лежащие на несколько кТ ниже е, почти полностью заселены. Вероятность F (е) заселения электронного состояния с энергией е, описывается Ферми-функцией

11+ехр(е-е)/*Г) " Когда (е -ер)>*Г

F (е)« ехр

когда (ер - е) >Jfer,

l-F {г) х ехр

(7.2.3) (7.2.4) (7.2.5)

В валентной зоне [1 - F (е)1 - вероятность того, что энергетический уровень е не заселен, т. е, на этом уровне имеется дырка,

Таб.пнца 7.1. Периодическая таблица элементов

Группа 0

Группа I

Группа II

Группа III

Группа IV

2Не Гелий

Ш Литий

IH Водород

4 Be Бериллий

5В Бор

60 Углерод

lONe Неон

lINa Натрий

12Мг Магний

13А1 Алюминий

I4S1 Кремний

18Аг Аргон

19К Кали ft

29Cu Медь

20Са Кальций

30Zn Цинк

21SC Скандий

31Са Галлий

22Т1 Титан

32Се Германий

ЗбКг Криптон

37Rb Рубидий

••7Ag Серебро

38Sr Стронций

48Cd Кадмий

39Y Иттрий

491п Индий

40Zn Цирконий

50Sn Олово

54Хе Ксенон

55Cs Цезий

79AU Золото

56Ва Барий

80Hg Ртуть

57La Лантан

Lu Лютеций 81TI Таллий

72Hf Гафний

82Pb Свинец

86Rn Радон

(87Fr) Франций

88Ra Радий

89Ас Актиинй

90Th Торий



[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]

0.0011