Электронно-дырочный переход. 
Физика

ВОПРОС. К чему приведет контакт полупроводников/;- и я-типа?

ОТВЕТ. Он аналогичен соединению сосудов с разными газами. Возникает диффузия дырок в полупроводник я-типа и электронов — в обратном направлении. Соответственно, в я-области остаются положительные, а в^{-области} — отрицательные неподвижные ионы доноров и акцепторов, т. е. в зоне контакта возникает двойной электрический слой шириной d ~ 10 ³-Н0 ⁴ мм, который называют электронно-дырочным переходом, или чаще р-и-переходом (рис. 10.11, а). Вследствие рекомбинации основных носителей их концентрация в этом слое уменьшается в 10⁶—10⁹ раз, поэтому его называют также обедненным слоем.

ВОПРОС. Как направлено электрическое поле, возникшее в переходе?

ОТВЕТ. Оно препятствует продолжению диффузии основных носителей, поэтому в конце концов устанавливается равновесие. Величина возникшей контактной разности потенциалов определяется обобществлением уровней Ферми, который у полупроводника я-тииа находится между уровнями E_d и Е_с, а у полупроводника р-типа — между E_v и Е_а(рис. 10.11, б). Подчеркнем, что возникший энергетический барьер ~ E_g препятствует движению только основных носителей, а для неосновных это поле является ускоряющим (нечто похожее возникает при контакте разнородных металлов: образуется контактная разность потенциалов, зависящая от температуры; такие термопары используют для ее измерения).

Рис. 10.11.

Если подключить источник напряжения «плюсом» к /7-области, а «минусом» — к 72-области (см. рис. 10.11, а), то напряжение такой полярности называется прямым.

ВОПРОС. К чему оно приводит?

ОТВЕТ. Оно уменьшает высоту потенциального барьера, поэтому число основных носителей, способных его преодолеть, быстро возрастает, и ток через /?-и-переход увеличивается (рис. 10.11, в). Это характерно для любых частиц, находящихся в потенциальном иоле. Чтобы представить себе этот процесс количественно, вспомним распределение Больцмана и Ферми — Дирака.

При обратной полярности источника потенциальный барьер для основных носителей возрастает. Напряжение такой полярности называют обратным. В этом случае через /7−72-переход течет лишь весьма слабый ток /₀ неосновных носителей (их концентрация мала). Упрощенная вольтамперная характеристика/7−72-перехода имеет вид.

Поскольку изменение знака приложенного напряжения приводит к изменению тока в 10⁵— 10^е раз (см. рис. 10.11, в),/7−72-переход представляет собой полупроводниковый диод, обладающий, как и электровакуумный диод, односторонней проводимостью. Его можно использовать для выпрямления электрического напряжения (тока), что широко применяют в различных электронных устройствах, силовой технике и т. д. Однако это далеко не единственное его применение.

Примеры практики При обратных напряжениях /?-?2-псрсход практически эквивалентен разрывающему цепь конденсатору, который в данном случае обладает важной особенностью: с изменением обратного напряжения ширина обедненного слоя, т. е. расстояние между обкладками конденсатора, также изменяется. Такой конденсатор переменной емкости называют варикапом (от англ, variable — переменный и capacitor — конденсатор). Быстродействие и возможность дистанционного управления емкостью варикапов в пределах 10 ²— 10² пФ — это тс его преимущества, которые используют в контурах радиоприемных устройств, усилителях и т. д.

Повышение обратного напряжения на /7−72-переходе имеет предел. При достижении некоторого значения t/_lip неосновные носители-электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов. При этом носители лавинообразно размножаются, и ток быстро нарастает без дальнейшего увеличения напряжения — вольтамперная характеристика на этом участке практически параллельна оси / (см. рис. 10.11, в). Такое постоянство напряжения в широком диапазоне токов — основа работы полупроводниковых стабилизаторов, применяемых для защиты от перенапряжений и поддержания параметров всевозможных электронных схем.

Зависимость характеристик полупроводников от внешних факторов также удалось превратить из недостатка в достоинство. В результате деформации кристалла его структура изменяется. Это влияет на расщепление уровней, границы зон, энергию активации E_g и ионизации примесей, а также на совокупность фононов и, следовательно, на подвижность носителей. Эффект изменения проводимости настолько велик, что его используют для измерения ничтожных относительных деформаций (до ~10 ¹⁰). Такие тензодатчики широко применяют в науке и технике.

Что касается изменений температуры, то на проводимость, связанную с основными носителями, они не влияют, поскольку примеси и так ионизованы, однако собственная проводимость полупроводника изменяется в соответствии с формулами (10.4), (10.5). Тем самым реализуется терморезистор (термистор), сопротивление которого зависит от температуры и потому может служить ее датчиком. Например, при изменении температуры охлаждающей жидкости в автомобилях сопротивление такого датчика изменяется примерно в 30 раз. В качестве датчика терморезистор часто используют как элемент системы автоматического регулирования.

Аналогичный результат можно получить, и путем освещения р-п-перехода. Если энергии квантов достаточно для отрыва электронов от связей, то под действием света возникает генерация неосновных носителей, влияющая на ток в цепи. В этом случае вольтамперная характеристика (10.6) принимает вид

где /_ф — фототок неосновных носителей, текущий в направлении, обратном току основных носителей. Таким образом, р-я-переход может быть применен как фотодиод, способный служить датчиком интенсивности излучения (контроль запыленности или задымленности, хода химических реакций в прозрачных растворах и т. д.). Он позволяет осуществлять и оптическое управление током (уровнемеры, турникеты, счетчики деталей, защитные устройства станков, охранная сигнализация и т. д.). Некоторые из носителей, например InSb, реагируют на ИК-излучение и потому используются в приборах ночного видения. Поскольку фотодиоды обладают малым временем срабатывания (~10 ¹¹ с), их широко применяют в системах передачи уплотненной информации (волоконно-оптическая связь, ЭВМ и т. д.).

Полупроводниковый диод может работать и как преобразователь теплоты и света в электрический ток или ЭДС. При этом возникают новые неосновные носители, разделяемые полем р-я-перехода: электроны из р-области устремляются в п-область, а дырки из я-области — в p-область. В случае нагревания возникает термо-ЭДС (Е_Т)_} а в случае освещения — фото-ЭДС (Е_ф). Для повышения ЭДС и мощности отдельные элементы соединяют в батарею. Во время Великой Отечественной войны под руководством А. Ф. Иоффе был разработан ряд генераторов термо-ЭДС, подогреваемых керосиновой лампой или кипящей водой. Они обеспечивали питание радиоаппаратуры и другой техники в партизанских отрядах. В настоящее время существуют термобатареи мощностью в десятки и даже сотни кВт.

Большое распространение получили солнечные батареи на основе Si, GaAs и т. д., питающие бортовые системы космических аппаратов, автомобилей и всевозможные стационарные устройства, включая жилые дома (особенно в южных районах). Они отличаются высоким КПД (-60%), экологически чисты и позволяют сохранять ресурсы нефти и газа, более полезные, например, в химической промышленности.

ВОПРОС. Как оценить ЭДС, вырабатываемую фотоэлементом солнечной батареи?

ОТВЕТ. По уравнению (10.7). При разомкнутых выводах I = 0, поэтому где /₀ — ток в отсутствие освещения.

Полупроводник может не только реагировать на внешнее излучение, но и быть его источником. У GaAs, например, длина волны света, излучаемого при рекомбинации электронов и дырок, составляет 0,89 мкм (инфракрасная область). Добавляя фосфор, можно получить красное свечение, а с помощью других соединений — зеленый, синий и другие цвета свечения. Такие светодиоды широко применяют в качестве сигнальных и знаковых индикаторов, в многоцветных индикаторных панелях, осветительных приборах и т. д.

С помощью накачки током, текущим через /?-/г-переход, можно получить также инверсную населенность и лазерное излучение с самыми разными длинами волн (0,3—30 мкм). В лазерном принтере, например, применяют лазерный диод, инфракрасное излучение которого сканирует по заряженному диэлектрическому барабану, в освещаемых точках заряд уменьшается, а к остальным притягиваются наэлектризованные частицы тонера.

Примеры практики Полупроводниковые приборы позволили устранить и «родовые» недостатки ПНВ, основанных на ЭОП: необходимость вакуума, относительно высокие напряжения, размеры и массы рабочих элементов. Ядром Г1НВ, основанного на любом физическом принципе, является матрица, дробящая изображение объекта на десятки и сотни тысяч пикселей. В ЭОП такую матрицу образуют микроскопические зерна фотокатода. Ее, однако, можно реализовать и в виде фотодиодной матрицы. В каждом ее фотодиоде вследствие внутреннего фотоэффекта генерируется заряд неосновных носителей, пропорциональный интенсивности попавшего на него света. Фотодиод выполняет функции своеобразного пикселя, а их совокупность формирует зарядовый аналог изображения, который преобразуют в реальное изображение на экране. Недостаток такой матрицы состоит в необходимости автономного съема сигналов с огромного числа пикселей и их последующего преобразования.

В 2009 г. американцы У. Бойл и Д. Смит удостоены Нобелевской премии, но физике за создание прибора с зарядовой связью (ПЗС). Если в каждом ПЗС-пикселе, как и в фотодиоде, генерируется заряд, пропорциональный освещенности ячейки, то съем заряда осуществляется не индивидуально (с каждого пикселя), а с участием других пикселей. Зарядовая связь между ними позволяет производить операцию, подобную передаче кирпичей по цепочке строителей. При этом в отличие от кирпичей каждый зарядовый пакет несет информацию об освещенности конкретного пикселя.

ПЗС-ячейка представляет собой МОП-структуру (металл — оксид — полупроводник), содержащую прозрачный электрод-затвор, отделенный от кремниевого полупроводника, например, р-тина, слоем прозрачного диэлектрика (диоксид кремния). На рис. 10.12, а показан фрагмент ПЗС-матрицы.

При положительном потенциале второго затвора положительно заряженные основные носители-дырки от него отталкиваются. Соответственно, иод затвором возникает обедненный слой, а на его границах — потенциальные барьеры, отделяющие эту область от соседних. Освещение генерирует в ней неосновные носители-фотоэлектроны, которые притягиваются к затвору в пределах потенциальной ямы и в ней хранятся (см. рис. 10.12, а).

Если теперь на третий затвор подать потенциал больший, чем на втором, то иод третьим затвором сформируется более глубокая потенциальная яма,.

Рис. 10.12.

примыкающая к предыдущей. Поскольку эти ямы объединены, то в соответствии с принципом минимума энергии электронный заряд перетекает в более глубокую яму (рис. 10.12, б). То же самое произойдет в случае, если на третий затвор подать такой же потенциал, какой был на первом, а первый в это время уменьшать. Таким способом можно с помощью сдвинутых во времени управляющих импульсов, подаваемых на цепочку затворов (рис. 10.12, в)_у направленно перемещать локализованный электронный заряд, например, слева направо, как показано на рис. 10.12, б.

Для того чтобы не возникло движения заряда в обратном направлении, на следующем справа затворе должен быть запирающий нулевой потенциал.

При проецировании изображения на всю линейку пикселей в каждом из них возникает индивидуальный заряд, соответствующий его освещенности. Поскольку подача потенциалов на затворы синхронизирована (см. рис. 10.12, б), сдвиг зарядов на одну ячейку вправо происходит по всей цепочке сразу. Крайняя правая ячейка отдает заряд выходному устройству, предпоследняя отдает заряд последней и т. д. Затем происходит следующий сдвиг, пока заряд первой ячейки линейки не достигнет выхода. В результате на выходе строки формируется последовательность импульсов, созданная зарядами, несущими информацию об освещенности каждого пикселя. Такая линейка может служить датчиком одномерного изображения (считыватель штрихкодов). Съем информации осуществляется здесь уже не с каждого элемента, а со всей линейки, а перемещение зарядов по ней управляется с помощью всего лишь трех шин, независимо от числа пикселей в строке.

Если требуется двумерное изображение, то линейку механически перемещают в перпендикулярном к ней направлении (сканер). При необходимости видеть весь объект сразу (а именно это требуется в приборах наблюдения) механическое перемещение уже неприемлемо: оно слишком инерционно и ненадежно. Потому используют совокупность параллельных линеек, образующую ПЗС-матрицу. После вышеописанной процедуры считывания первой (нижней) строки (горизонтальный перенос) используется ее зарядовая связь со второй (вышерасиоложснной) строкой. Заряды ячеек второй строки синхронно перетекают в нижерасположенные ячейки первой строки (вертикальный перенос), вторая строка синхронно заполняется зарядами более высокой третьей и т. д., т. е. двумерный массив зарядов матрицы одновременно сдвигается вниз на одну строку. Это происходит до тех пор, пока не будет считана последняя (верхняя) строка матрицы, т. е. весь кадр. Затем начинается считывание следующего кадра и т. д. В какой-то мере это напоминает строчную и кадровую развертку телевидения.

Выходные сигналы ПЗС-матрицы могут быть преобразованы в цифровую форму для компьютерной обработки информации, ее визуализации с помощью ЖК-дисплеев и т. д.

ПЗС-матрицы стали основой различных цифровых средств отображения информации (сканеры, фотои видеокамеры и др.). В современной военной оптике ПН В, основанные на ПЗС-матрицах, — очки, бинокли, прицелы и т. д. — позволяют видеть и фотографировать в темноте, создавать охранные системы, находить раненых под завалами, обнаруживать и устанавливать вид военно-технических устройств и т. п.