Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Полупроводниковые лазеры. Спонтанные переходы электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне в светодиодах сопровождаются некогерентным оптическим излучением, так же, как и спонтанные переходы изолированного атома из возбужденного состояния в основное. Для получения когерентного оптического излучения, т. е. для создания лазера, нужно обеспечить условия преобладания вынужденного излучения над спонтанным. В полупроводниковом лазере, так же, как и в газовом, когерентное
вынужденное излучение возникает при инверсии заселенностей энергетических уровней валентной зоны и зоны проводимости, как показано на рис. 1226. Такую инверсию заселенностей получают путем накачки электронов пропусканием тока через р-п-переход. Обратная связь излучения с активной средой, необходимая для возникновения лазерной генерации, реализуется благодаря тщательно отполированным параллельным боковым граням монокристалла, образующим оптический резонатор (рис. 123).
Ток
Загрубле поверхн (то же с сзадг
Контакт Активная
\ ' / область
Рис. 123. Схема устройства полупроводникового лазера
§ 37. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
313
Фотодиоды. Полупроводниковые приборы, в которых используется обратный процесс преобразования энергии излучения в электрическую энергию, называются фотодиодами. Они находят широкое применение в солнечных батареях.
Роль процессов рекомбинации. Приведенное выше описание принципа действия полупроводниковых приборов содержит ряд упрощений. Главное упрощение заключается в том, что не рассматривалась роль процессов рекомбинации электронов и дырок. Между тем именно рекомбинация определяет многие характерные черты электронных явлений в полупроводниках.
В некоторых полупроводниковых цепях, например в р—«-переходе, при прохождении электрического тока происходит смена типа носителей тока вдоль цепи. Если в «-области ток переносят главным образом электроны проводимости, то в p-области этот же ток переносят главным образом дырки валентной зоны. Электроны и дырки движутся в такой цепи навстречу друг другу, приближаются к р—«-переходу и, пересекая его, становятся неосновными носителями. Повышенная концентрация неосновных носителей в примыкающих к р—«-переходу участках приводит к интенсивной рекомбинации электронов и дырок.
Аналогичный рекомбинационный механизм «передачи эстафеты» от носителей одного типа к другим имеет место вблизи контакта подводящего металлического проводника с полупроводником р-типа.
Явное рассмотрение роли процессов рекомбинации позволяет объяснить основные особенности действия транзисторов. Для нормальной работы транзистора необходимо выполнение двух важных условий. Прежде всего база должна быть достаточно тонкой. Кроме того, концентрация примесей в эмиттере должна намного превосходить их концентрацию в базе.
О толщине и легировании базы транзистора. Тонкая база желательна по нескольким причинам. Во-первых, для эффективной работы необходимо, чтобы в коллектор попали все те носители, которые покинули эмиттер. Но некоторые из носителей неизбежно будут диффундировать к электрическому контакту базы вместо того, чтобы, пересекая базу, доходить до коллектора. Доля электронов, нашедших дорогу к базовому контакту, зависит от геометрии базы и тем меньше, чем тоньше база. Этот ток, который на языке вакуумных ламп можно назвать сеточным током и который должен быть как можно меньше по сравнению с током в цепи эмиттера (катода), тем меньше, чем тоньше база.
Во-вторых, с уменьшением толщины базы падает вероятность того, что эмитированный электрон рекомбинирует в базе, прежде чем продиффундирует к коллектору. Поскольку ток транзистора в базе создается неосновными носителями, их рекомбинация весьма вероятна и должна быть сведена к минимуму.
314
VII. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
В-третьих, характеристики транзистора ухудшаются при высоких частотах сигналов и предельная частота определяется в основном толщиной базы. Прибор может удовлетворительно работать только до тех пор, пока время диффузии носителей через базу меньше периода колебаний усиливаемого сигнала: если напряжение поменяет знак прежде, чем большинство эмитированных электронов пересечет базу, они уже не дадут вклада в ток цепи коллектора.
Легко понять и причину того, почему степень легирования базы должна быть существенно ниже, чем у эмиттера. Во-первых, чем выше степень легирования базы п—р— п-транзистора, тем больше она содержит дырок. Следовательно, и вероятность того, что электрон рекомбинирует с дыркой прежде, чем достигнет коллектора, больше, а это нежелательно. Во-вторых, когда к эмиттеру приложено напряжение в прямом направлении, возникает не только поток электронов из эмиттера в базу, но и дырочный поток из базы в эмиттер. Чтобы паразитный поток из базы в эмиттер был много меньше потока из эмиттера, степень легирования базы должна быть малой.
Рекомбинация в лазере. Рекомбинация электронов и дырок играет большую роль и в работе полупроводникового лазера, где инверсная заселенность достигается пропусканием тока через р-п-переход, приводящего к увеличению концентрации неосновных носителей по обе стороны перехода. Вблизи р-п-перехода идет рекомбинация электронов и дырок. При низких значениях силы тока преобладающей может быть безызлучательная рекомбинация, но когда неравновесные концентрации неосновных носителей становятся достаточно большими, все большее значение приобретает рекомбинация с испусканием фотонов, приводящая к некогерентному оптическому излучению. При очень больших концентрациях неосновных носителей, когда создается инверсия заселенностей и вынужденное излучение преобладает над спонтанным, испускаемый свет становится когерентным.
