Среднее время жизни неравновесных носителей зарядов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Физика играет очень важную роль в современном мире. Благодаря развитию этой науки и применению её открытий на практике научно-технический прогресс не стоит на месте, а исследования в различных ее областях дали нам те вещи, без которых, возможно, нам уже не обойтись: телефон, компьютер, автомобиль и многие другие. Большинство открытий вскоре получают применение в технике и промышленности.

Действительно, состояние современного общества характеризуется большим использованием электротехники, и если ХХ век- век развития проводниковой электротехники, то его конец и начало ХХI века прибавят к ней новый, гораздо значимый для развития электроники раздел полупроводников.

Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, поэтому, тема изучения их функционирования является актуальной для нашего общества, ведь полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах. Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность. Так же практическая деятельность человека в быту, на отдыхе связана с использованием полупроводниковых приборов и изучение физических явлений, связанных с их эксплуатацией.

Данная работа имеет две взаимосвязанные цели: первая - изучение механизма электропроводности полупроводников, а вторая - изучение возникновения неравновесных зарядов под внешним воздействием и определение среднего времени жизни неравновесных носителей заряда с помощью измерительной установки. Но чтобы достичь поставленной цели необходимо расширить знания о полупроводниках и их свойствах.

Полупроводники

Полупроводники - широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности промежуточными между электропроводностью металлов и хороших диэлектриков. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры, причём, как правило, в достаточно широком интервале температур возрастание происходит экспоненциально. К числу полупроводников относятся многие химические элементы, такие как германий, кремний, селен, теллур и др. Почти все неорганические вещества в нашем мире являются полупроводниками.

Наиболее употребительные полупроводниковые материалы при комнатной температуре обладают сравнительно малой электропроводностью, которая обусловлена двумя механизмами переноса заряда. Первый механизм состоит в движении по полупроводниковому образцу так называемых свободных электронов и называется электронной электропроводностью. Второй механизм заключается в движении несвободных - валентных электронов, которые при наличии вакансий в валентной зоне могут перескакивать от атома к атому и тем самым двигаться по объему полупроводника. Данный механизм электропроводности называется дырочным. Это название обусловлено тем, что эстафетное движение валентных электронов от атома к атому представляется как встречное движение положительно заряженных частиц, называемых дырками.

Переносчиками заряда в полупроводниках являются электроны. Однако, в отличие от металлов, где валентные электроны могут свободно перемещаться по объему материала, почти все валентные электроны полупроводника связаны со своими атомами и не могут переносить заряд по объему полупроводника. При комнатной температуре лишь небольшая часть валентных электронов обладает энергией теплового движения, достаточной для отрыва от атомов, и может передвигаться по объему. Эти электроны называют свободными или электронами проводимости. Появление свободных электронов сопровождается образованием электронных вакансий в атомах полупроводника. Эти вакансии могут заниматься валентными электронами соседних атомов. В результате появляется возможность перемещения по объему полупроводника и валентных электронов. Таким образом, электропроводность полупроводников осуществляется двумя механизмами: перемещением свободных электронов и перемещением валентных электронов. И те, и другие увлекаются внешним электрическим полем в одну сторону, создавая электрический ток.

В идеальных кристаллах свободные электроны и дырки появляются всегда парами, так что концентрации обоих типов носителей равны. В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться и проводимость осуществляется практически только одним типом носителей.

Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей, которые разделяются на два типа: донорные и акцепторные. Ничтожного количества примеси в чистый полупроводник достаточно для изменения его электропроводности на несколько порядков. Это обусловлено тем, что примесные атомы в составе кристаллической решетки полупроводника могут либо поставлять в нее электроны проводимости, либо поглощать валентные электроны полупроводника, увеличивая тем самым концентрацию дырок. Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок, называются донорными. Примеси, захватывающие валентные электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными.

По виду проводимости полупроводники делятся на электронные и дырочные полупроводники.

Электронным полупроводником или полупроводником типа n называется полупроводник, в кристаллической решетке которого, помимо основных (четырехвалентных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки. Однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов. Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается nn, а концентрация дырок - pn. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными.

Дырочным полупроводником или полупроводником типа p называется полупроводник, в кристаллической решетке которого содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка. В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается pp, они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается np, они являются неосновными носителями заряда.

Неравновесные носители заряда в полупроводниках. Фотопроводимость

При постоянной температуре в полупроводнике устанавливается стационарная концентрация свободных носителей заряда, называемых равновесными.

При освещении полупроводника в нем образуется избыточная концентрация свободных носителей заряда, такие носители заряда называются неравновесными, а связанную с ними проводимость - фотопроводимостью.

Фотопроводимость -- явление изменения электропроводности вещества при поглощении электромагнитного излучения.

Образование неравновесных носителей заряда возможно по трем причинам:

1. Кванты света с энергией () переводят валентные электроны в зону проводимости. При этом образуются свободные фотоэлектроны в зоне проводимости и свободные дырки в валентной зоне (рис.1).

Рис. 1

2.Кванты света с энергией переводят электроны с донорных уровней в зону проводимости. При этом образуются свободные фотоэлектроны в зоне проводимости и вакансии на на донорных уровнях (Рис.2).

1. Кванты света с энергией переводят электроны из валентной зоны на не занятые акцепторные уровни. При этом образуются свободные дырки в валентной зоне и фотоэлектроны на акцепторных уровнях (Рис.3).

Рис. 3

Следует отметить, что при освещении полупроводника часть фотонов отражается от его поверхности, часть может пройти сквозь полупроводник, а остальные фотоны сопровождаются появлением фотоэлектрона, т.к. в силу различных причин энергия отдельных фотонов идет на увеличение энергии кристаллической решетки полупроводника.

После прекращения действия механизма, вызвавшего появление неравновесной концентрации носителей, происходит постепенное возвращение к равновесному состоянию. Процесс установления равновесия заключается в том, что каждый избыточный электрон при встрече с вакантным местом (дыркой) занимает его, в результате чего пара неравновесных носителей исчезает. Явление исчезновения пары носителей получило название рекомбинации.

Рекомбинация неравновесных носителей заряда

Взаимодействие электрона и дырки может приводить к их рекомбинации, в результате которой электрон возвращается в валентную зону, а энергия, затраченная на переброс электрона из валентной зоны в зону проводимости, выделяется в виде излучения или тепла. Таким образом, можно сказать, что Рекомбинация - исчезновение пары электрон проводимости -- дырка в результате перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону.

Различают два вида рекомбинаций носителей заряда:

1. Межзонная рекомбинация - прямой переход электрона из зоны проводимости в валентную зону (Рис.4).

Рис. 4

2. Рекомбинация через промежуточные уровни в запрещенной зоне. В данном случае переход из зоны проводимости в валентную зону происходит в два этапа: сначала электрон из зоны проводимости переходит на некоторый промежуточный уровень, созданный в кристалле каким-либо примесным атомом, а потом с этого уровня переходит в валентную зону (Рис. 5).

3.

Эксперименты показывают, что второй механизм рекомбинации более вероятен. В обоих случаях переход электронов из зоны проводимости в валентную зону сопровождается выделением энергии. Средний интервал времени между генерацией фотоэлектрона и его рекомбинацией называют средним временем жизни неравновесного заряда и обозначают .

Определение среднего времени жизни неравновесных носителей заряда заряд фотопроводимость носитель неравновесный

Среднее время жизни неравновесных носителей заряда характеризует инерциальные свойства полупроводниковых приборов, оно зависит от рода и качества материала, от содержащихся в нем примесей.

При непрерывном освещении полупроводника устанавливается динамическое равновесие между процессами генерации и рекомбинации, при этом удельная фотопроводимость прямо пропорционально зависит от подвижности и концентрации неравновесных носителей заряда:

(1) , где е - заряд электрона.

Если к полупроводнику подключить источник постоянного тока, то в цепи потечет фототок, плотность которого, в соответствии с законом Ома, пропорциональна напряженности Е электрического поля в полупроводнике:

Таким образом, при постоянной напряженности величина фототока пропорциональна концентрации неравновесных носителей зарядa.

При выключении света концентрация неравновесных носителей заряда из-за рекомбинации убывает по закону: dn/dt= -(). Решением этого дифференциального уравнения является: (4), где - концентрация неравновесных носителей заряда в момент выключения света; - среднее время жизни неравновесных носителей заряда.

Величина соответствует времени, в течение которого концентрация неравновесных носителей заряда убывает в «е» раз. Величина фототока, согласно (3) и (4), также убывает по экспоненциальному закону:

I=exp(-t/) (5)

Фототок на сопротивлении нагрузки будет создавать падение напряжения, изменяющегося по такому же закону, что и фототок:

U=exp(-t/) (6)

Данная зависимость представлена на рис.6 (кривая 2), там же показан характер нарастания фототока после включения света (кривая 1). Кривые изменения фототока (в нашем случае напряжения) со временем называют кривыми релаксации. Их анализ позволяет определить среднее время жизни неравновесных носителей заряда.

Из формулы (6) можно получить формулу средней продолжительности жизни неравновесных носителей заряда:

(7)

При выполнении работы нам понадобилась специальная установка, основным элементом которой стал аналогово-цифровой преобразователь Cobra 3 фоторезистор ФС, освещаемый пульсирующим световым потоком, исходящим от светодиода СД. На СД подается напряжение прямоугольной формы. Освещение фоторезистора пульсирующим светом приводит к возникновению в его цепи пульсирующего фототока, изменяющегося по экспоненциальному закону (рис.6). Фототок создает на резисторе падение напряжения, изменяющееся по такому же закону, что и фототок. И на экране монитора можно увидеть кривые релаксации прямоугольной формы (рис.7).

С помощью программы Phywe Measure4 мы не только смогли получить данное изображение, но также точно рассчитать интеграл выделенной кривой.

Запишем все исходные данные, необходимые нам для вычисления средней продолжительности жизни неравновесных носителей заряда: R= 15 kOm; =0,56B; =1,36B; ; Io= 1,67A.

Узнаем количество неравновесных носителей заряда:

Теперь по формуле (7) оценим среднее время жизни неравновесных носителей заряда:

Данная работа показала, что среднее время жизни неравновесных носителей заряда равно 2,6 (мс).

Заключение

Техническое применение полупроводников еще в будущем. Это -- один из наиболее молодых и быстро растущих участков технической изобретательности.

На основании всей полученной информации можно сделать вывод, что работа большинства полупроводниковых приборов основана на неравновесной проводимости, т. е. на инжекции, диффузии, дрейфе и рекомбинации неравновесных носителей тока. Величина и характер распределения неравновесных носителей заряда, а следовательно и их времени жизни, меняются в широких пределах в зависимости от условий их генерации, типа примесных центров, их концентрации в объеме и на поверхности пластины. Исследование этих неоднородностей имеет большое значение для изучения различных физических процессов, а также для увеличения выхода годных полупроводниковых приборов и уменьшения разброса их параметров.

Список литературы

1. Кудря А.П., Лаврентев А.А. Определение времени жизни неравновесных носителей заряда. Методические указания.// Издательский центр ДГТУ. Ростов-на-Дону. 2002.

2. Гуртов В.А., Артамонов О.Н., Ветров А.С. Твердотельная электроника: [Электронный ресурс]. URL: http://dssp.petrsu.ru/book/main.shtml.

3. Учебно-образовательный портал:[Электронный ресурс]. 2011. URL: http://www.mylect.ru/physics/poluprovodnik/339-poluprovodniki5.html

4. Учебно-образовательный портал:[Электронный ресурс].URL: http://nauchebe.net. 2013

Размещено на Allbest.ru