Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
117 света, из /г-слоя в р-слой по проводу будет течь электрический ток. Именно свет обеспечивает энергию, которую мы преобразовали в энергию электрического тока. Солнечный элемент, представляющий собой попросту диод с р/г-переходом большой площади, способен превращать в полезную электрическую энергию более 10% энергии падающего на него света. Солнечные батареи, состоящие из множества соответствующим образом соединенных солнечных элементов, служат источниками энергии для искусственных спутников типа «Телстар», «Рэлей», «Синком» и «Тирос».
Солнечные элементы изготавливаются из плоских, тщательно отполированных пластинок кремния р- или /г-типа. Если исходным материалом служит, например, кремний р-типа, то его нагревают и подвергают действию паров, содержащих примесь п-типа, чтобы получить рп-переход с предельно тонким слоем /г-типа поверх основного слоя. Таков метод изготовления солнечной батареи типа «п на р». Слой /г-типа выполняется очень тонким для того, чтобы он был совершенно прозрачным для света. Один электрический вывод связывают с основой — пластинкой кремния р-типа, а другой — с п-слоем. Когда на тонкий п-слой падает свет, с выводов можно получать электрическую энергию.
Ограничения возможностей полупроводниковых приборов
Такие полупроводниковые приборы, как транзисторы, диоды и солнечные элементы, чрезвычайно полезны, но их возможности все-таки ограниченны. Одним из таких ограничений является влияние температуры на их работу. При абсолютном нуле электрон, конечно, никогда не может перейти из заполненной зоны на верхнюю незаполненную зону; однако при достаточно высокой температуре электроны получают такую возможность и при переходах возникают пары электрон — дырка. Таким образом, даже идеально чистый полупроводник, не содержащий никаких примесей, превращается в проводник, если его достаточно подогреть. При достаточно высокой температуре кристалл Yi-типа будет содержать дырки, а вместе с ними и электроны теплового происхождения, кристалл же р-типа — электроны, а вместе с ними дырки теплового происхождения. Такое явление в диоде или в
118 транзисторе совершенно расстраивает работу устройства.
До какой же температуры нужно нагреть полупроводник, или, иначе говоря, при какой температуре в нем появится достаточно дырок и электронов, чтобы серьезно нарушить его работу? Оказывается, это зависит от ширины разрыва между заполненной и пустой полосами. Этот разрыв называется запрещенной зоной. Чем шире запрещенная зона, тем большую энергию нужно сообщить электрону, чтобы перевести его из заполненной зоны на верхнюю незаполненную зону, и, следовательно, тем большая температура для этого необходима.
У германия ширина запрещенной зоны составляет 0,67 в — германиевые приборы работают удовлетворительно вплоть до температур порядка 100°С, правда, их характеристики несколько меняются при изменениях температуры. У кремния ширина запрещенной зоны составляет 1,1 в, поэтому кремниевые диоды и транзисторы менее чувствительны к изменениям температуры, чем германиевые: они могут эффективно работать вплоть до температур порядка 250°С. А у арсенида галлия ширина запрещенной зоны еще больше— 1,4 в; изготовленные из него диоды прекрасно выпрямляют ток до температуры примерно 450°С.
Ширина запрещенной зоны — это только одна из двух чрезвычайно важных характеристик полупроводников; другой столь же важной характеристикой является подвижность электронов или дырок в кристалле. В кристалле совершенно регулярной, нигде не нарушенной структуры электрон мог'бы свободно двигаться сколько угодно, разумеется при условии, что его энергия соответствует уровню энергии разрешенной зоны. Однако в реальных кристаллах электроны, 'пройдя сравнительно небольшое расстояние, встречаются с какой-либо неоднородностью— вкраплением примеси, нарушением межатомных расстояний в- кристалле, вызванным тепловыми колебаниями атомов.
Чем дальше может беспрепятственно перемещаться электрон или дырка, тем, следовательно, больше подвижность носителей электричества для данного кристалла. Электрическая проводимость полупроводника пропорциональна подвижности, умноженной на плотность дырок или электронов. Чем выше подвижность, тем совершеннее работа диода.
119 У некоторых материалов, таких, например, как анти-монид индия, подвижность чрезвычайно велика. Из анти-монида индия изготавливаются превосходнейшие диоды для детекторов и параметрических усилителей, работающих в диапазоне миллиметровых волн (30 000— 300 000 Мгц).
Самым юным членом семейства полупроводниковых приборов является полупроводниковый лазер, или, как иногда говорят, инжекционный лазер. В этом приборе к ря-переходу приложено достаточно высокое напряжение в том направлении, в котором ток может течь. Это напряжение вызывает переход электронов из заполненной зоны на верхнюю, незаполненную зону. Затем они постепенно достигают примесных уровней, лежащих прямо под пустой зоной, и отсюда переходят на заполненную зону, рекомбинируя с дырками и отдавая свою энергию возбужденному в переходе электромагнитному полю.
