Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
При достаточно тонкой базе большая доля электронов, проникших в базу через первый л—р-переход (99 % и более), проходит через коллектор. Поэтому эффективность прибора велика. Коэффици-
310
VII. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
ент усиления можно оценить следующим образом. Почти все напряжение в цепи эмиттера приходится на входное сопротивление ^х, поэтому ток через эмиттер можно записать как LfBX/R^X. Если весь этот ток проходит через коллектор, то напряжение на выходном сопротивлении будет превышать напряжение на входном в ЛВЬ1Х/ЛВХ
4
Вход МЛ i Монокристалли-¦Т ческий Ge I
¦«¦V
База
Эмиттер
Лс| Выход
Коллектор
Рис. 121. Схематическое изображение транзистора, в котором две n-области монокристалла разделены узкой областью с проводимостью p-типа (а) и условное изображение такого транзистора на электрических схемах (б)
раз. Во столько же раз возрастает мощность выходного сигнала. Источником мощности, выделяющейся на выходном сопротивлении, является батарея, включенная в цепь коллектора.
Транзистор с р—п—р-структурой работает так же, как только что описанный п—р—«-транзистор, но только здесь перенос заряда из цепи эмиттера в цепь коллектора через область базы осуществляется положительными дырками. Поэтому все напряжения здесь имеют обратную полярность.
Интегральные схемы. В различных электронных приборах транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы соединяются в сложные электрические цепи. Развитие технологии в течение последних десятилетий позволило создать так называемые большие интегральные схемы, в которых транзисторы, диоды, сопротивления и емкости можно получить в одном монокристалле (пластинке кремния или германия), формируя микроскопически малые р- и n-области. Затем эти элементы связывают друг с другом, металлизируя соответствующие участки поверхности кристалла. Конденсаторы в таком кристалле делаются с помощью оксидных покрытий, наращиваемых на поверхности. Интег-
{ 37. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
311
ральная схема на одном монокристалле может выполнять функции целого прибора, например процессора в компьютере.
Светодиоды. Полупроводниковые приборы, кроме электрических цепей, находят еще и целый ряд других применений. Важнейшими из них являются оптические применения: светоизлучающие диоды и лазеры на р-п-переходах, солнечные батареи, детекторы излучения и генераторы микроволнового излучения.
Оказывается, что р-п-переходы, изготовленные на основе соединений элементов третьей и пятой групп таблицы Менделеева А3В5, таких, как арсеннд галлия GaAs, фосфид галлия GaP, антимонид индия InSb, могут преобразовывать низковольтный электрический ток в свет с довольно высокой эффективностью. Это явление, называемое электролюминесценцией, было открыто еще в начале XX века в кристаллах карбида кремния SiC.
Наиболее эффективная электролюминесценция может быть осуществлена в р-п-переходе, где, пропуская ток через контакт, можно создать высокую концентрацию неосновных носителей. Оптическое излучение возникает при рекомбинации электрона и дырки, т. е. в процессе перехода электрона из зоны проводимости в одно из свободных состояний валентной зоны. Энергия испускаемого при этом светового кванта и, следовательно, частота излучения определяются разностью энергий электрона в начальном и в конечном со-
ное распределение электронов по уровням энергии, при котором свет поглощается, а на рис. 6 — сильно неравновесное распределение электронов с инверсией заселенностей, необходимое для усиления света
стояниях. Эта энергия несколько больше ширины запрещенной зоны, а соответствующая частота у большинства используемых кристаллов приходится на видимую или ближнюю инфракрасную область спектра. Так, светодиоды на основе твердого раствора GaAs!_xPx испускают красный свет, а на основе GaP с примесью азота — зеленый свет.
Выбор материалов типа соединений А3В5 продиктован тем, что у них дно зоны проводимости и потолок валентной зоны располо-
Е‘
а
б
Рис. 122. Схема энергетических зон в кристаллах A*BS. На рис. а показано равновес-
312
VII. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
жены в одной точке пространства импульсов при р = 0 (рис. 122). Этим они отличаются от германия и кремния, у которых минимумы зоны проводимости расположены при отличных от нуля значениях квазиимпульса, в то время как максимум валентной зоны приходится на значение р = 0.
В элементарном акте поглощения фотона с образованием пары электрон—дырка и в обратном процессе рекомбинации электрона и дырки с испусканием фотона наряду с законом сохранения энергии должен выполняться закон сохранения импульса. Импульс фотона Ат/с настолько мал по сравнению с характерными значениями квазиимпульсов электрона и дырки при данной температуре, что на рис. 122 оптические переходы изображаются вертикальными стрелками. Например, при рекомбинации электрон может перейти из зоны проводимости только в такое не занятое состояние валентной зоны, которому соответствует такое же значение квазиимпульса, какое было у него в зоне проводимости.
