Энергетическая модель полупроводника в теории твердого тела

ЛЕКЦИЯ ПЭ № 6 От 10.11.2016 г (и от 18.11.)

Фотоэлектронные и полупроводниковые приборы без Р-N перехода и их значение в электронике

1. Фотоэлектронные приборы: фоторезисторы, фото и светодиоды

2. Приборы без Р-N перехода: термо, тензо и магниторезисторы, варисторы, датчики Холла.

Билеты № 16, 17, 18.

Фотоэлектронные полупроводниковые приборы: фоторезисторы, фото и светодиоды

Фотоэлектронные (ФЭ) –это приборы, преобразующие энергию света (оптического излучения) в электрическую. В основном используются ультрафиолетовое (), видимое () и инфракрасное () излучения.

Работа ФЭ основана на внутреннем и внешнем фотоэффектах.

Внутренний фотоэффект заключается в том, что энергия света разрывает ковалентные связи атомов с электронами и они, освобождаясь, переходят из валентной зоны (ВЗ) в зону проводимости (ЗП), обусловливая электропроводность.

При этом, согласно теории Эйнштейна, энергия фотонов света W_ф должна превышать ширину запрещенной зоны полупроводника, в связи с чем фотоэффект возможен при длине волны , меньшей некоторого граничного значения λ_гр, называемого «красной границей:

λ_ф < λ_гр= с / f = h с / ΔW_зз ≈ 1,23/ ΔW_зз (мкм)

с – скорость света () в вакууме; – постоянная Планка; – ширина запрещенной зоны, ограниченная дном ЗП (W_c) и потолком ВЗ (W_v) в электрон-вольтах (эВ) – см. ниже рисунок.

Энергетическая модель полупроводника в теории твердого тела

На основе внутреннего фотоэффекта разработано большое количество полупроводниковых ФЭ приборов: фоторезисторы, фотодиоды, фото-транзисторы, светодиоды, фототиристоры, оптроны, фотоемкости, фотоваристоры и т. д.

Внешний фотоэффект также широко используется в т.н. фотоэмиссионных ФЭ-приборах: в вакуумных фотоумножителях, передающихтелевизионных трубках (супериконоскоп, суперортикон) и др. Этот эффект заключается в том, что энергия фотона расходуется на преодоление работы выхода из вещества и приобретение электроном кинетической энергии.

Фоторезисторы

Фоторезистор – это ФЭ прибор, в котором в результате внутреннего фотоэффекта при его освещении светом возрастает электропровод-ность.

Внешний вид, обозначение и схема включения фоторезистора

Конструктивно - это тонкая пластинка или пленка из п/пр соединений кадмия, висмута или свинца 1 с двумя токопроводящимиконтактами 2, и укрепленная на изоляционной подложке 3. Для защиты от влаги поверхность полупроводника покрывают прозрачным лаком, а саму пластинку помещают в пластмассовый корпус с окном для проникновения света. Он включается в любой полярности ЭДС.

Его фототок равен разности тока I_с при освещении и темнового тока I_m (без освещения):

;

При освещении в зависимости от светового потока уменьшение сопротивления достигается в 500–1000 раз в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц. Основное применение фоторезисторов – в качестве датчиков освещённости в измерительных и информационных устройствах автоматики [12].

Фотодиоды

Фотодиод (ФД) – это П-П диод, в котором в результате внутреннего фотоэффекта при воздействии света в p-nпереходе возникает односторонняя фотопроводимость. Конструктивно - это кристалл с p-n переходом, перпендикулярно плоскости которого направлен световой поток.

У него два режима работы: фотогенераторный (иногда– запираю-щий, фотогальванический, фотовольтаический, вентильный) – без внешнего источника питания, и фотодиодный (иногда фотопреобра-зовательный) – с внешним источником.

В первом случае фотодиод используется как фотоэлемент, гене-рирующий при его освещении электрическую энергию (фото-ЭДС в солнечных батареях), а во втором – в разнообразных фотодатчиках устройств автоматики.

В ф-генераторном режиме при освещении р-п перехода возраста-ют концентрации соответствующих зарядов p и n областей, высота потенциального барьера сужается, возникает фото-ЭДС и через нагрузку течёт ток, определяемый выражением:

 

Структура и схема включения ФД в ф-генераторном (а) и фотодиодном (б) режимах

где – напряжение на зажимах фотодиода, В; Кл – заряд электрона (в показателе степени экспоненциального члена).

 

ВАХ фотодиода при различных значениях светового потока

Квадрант IV его ВАХ – фотогенераторный, а квадрант III - фотодиодный

При этом пересечение кривых с осью соответствует режиму ХХ, а с осью – режиму КЗ выводов фотодиода; кривая, проходящая через начало координат, соответствует отсутствию освещения и называется темновой ВАХ, она ничем не отличается от ВАХ обычного полупроводникового диода. Максимальное значение фото-ЭДС достигается равным к.р.п. и находится в пределах В у селеновых и кремниевых фотодиодов и порядка 0.87 В – у фотодиодов из арсенида галлия.

В ф-диодном режиме (квадрант III ВАХ) рабочим участком ф-диода яв-ляется область обратных напряжений (от источника ЭДС) в пределах от десятых долей до единиц вольт. Из ВАХ видно, что при увеличении светового потока возрастает фототок, равный разности встречных токов, текущих через p-n переход:

Применение: Ф-диоды широко применяются в обоих режимах.

В ф-диодном - в устройствах ввода и вывода информации со скоростями считывания информации до 2000 знаков в секунду; датчиках регистрирующих и измерительных приборов фотометрии, в киноаппаратуре, фототелеграфии; для автоматизации производственных процессов; в быстро развивающейся оптоэлектронике. В фотогенераторном режиме - в солнечных элементах, входящих в состав солнечных батарей космических кораблей. В настоящее время ведутся разработки наземных солнечных батарей. Наиболее перспективны с высоким к.п.д полупроводники : кремний, фосфид индия, арсенид галлия, сульфид кадмия, теллурид кадмия и др. К.п.д. кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а плёночных - даже более20 %. Также, кроме к.п.д., важнейший их технический параметр: отношение выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей, которые достигают значений 200 Вт / кг и 1 кВт / м ² соответственно. Внутренний фотоэффект используется также в более сложных фотоэлектронных приборах для увеличения их фоточувствительности – фототранзисторах и фототиристорах, рассмотренных, например, в [8].

Светодиоды

Светоизлучающим диодом (светодиодом) называется ФЭ прибор, излу-чающий свет на основе инжекционной электролюминесценции p-n-перехода при рекомбинации электронов и дырок при подаче на диод достаточно больших прямых токов. Наиболее эффективны p-n-переходы на основе ПП МЭТ с боль-шой шириной запрещенной зоны Δ W₃₃: арсенид и фосфид галлия(GaAs, GaP, а также карбид кремния (карборунд SiC). Светодиоды испускают некогерент-ное излучение с узким спектром. Длина волны излучения λ_изл зависит от мате-риала полупроводника и его легирования:

В соответствии с этим выпускаются светодиоды с различным цветом излучения: GaAs – инфракрасное излучение с λ_изл ≈ 0,9мкм; GaP – оранжево-красные с λ_изл ≈ 0,6-0,7мкм и SiC – голубое и зеленое излучение с λ_изл ≈ 0,46-0,6мкм.

Яркость их излучения - на уровне10³-10⁵кд/м²при небольших токах(5–
20 мА) и напряжениях (1,5–3 В), что позволяет легко их применять совместно с цифровыми микросхемами; КПД светодиодов видимого излучения составляет от 0,01 % до нескольких процентов.

 

Конструкция и характеристики светодиода: а- вольтамперная; б – яркостная;

1 – линза;

2 – металлический баллон 3 –кристалл с p-n переходом;

4 – изолирующее основание;
5 – выводы;

Светодиоды обозначают буквами АЛ, АЛС, ИЛ, КЛ в сочетании с цифрами, например АЛ305А – знаковый светодиод, красного свечения, с яркостью свече-ния 350 кд / м ².

Схемы включения светодиода к логическому элементу (а – при низком уровне сигнала на выходе логического элемента; б – при высоком)

Типовые данные некоторых светодиодов

Тип	Цвет свечения	Напряжение Uпр, В	Ток Iпр, мА
АЛ113А АЛ304В АЛС321А АЛС334А АЛС335А	Красный Зеленый Желто-зеленый Желтый	3,6 3,3 3,5

Применение. В составе конструктивных излучающих приборов: генераторах излучения - в волоконно-оптических линиях передачи информа-ции, в беспроводных линиях связи в пределах прямой видимости, в составе оп-тоэлектронных пар для преобразования электрического сигнала в оптический, а также для накачки твердотельных лазеров;

В полупроводниковых индикаторах – для визуального восприятия инфор-мации в РЭА; в точечных и знаковых сегментных индикаторах в виде матриц и буквенно-цифровых дисплеев, в частности, в виде бегущей строки.

К особой группе полупроводниковых генераторов излучения относятся полупроводниковые лазеры с излучающими p-n переходами, размещен-ными между высококачественными отражателями, образующими оптичес-кие резонаторы, в которых излучение становится монохроматическим и когерентным. Эти приборы являются перспективными для передачи инфор-мации по оптическим линиям связи вместо проводов [12].

 

2.

Полупроводниковые приборы без Р-N перехода: термо, тензо и магниторезисторы, варисторы, датчики Холла.

Это полупроводниковые приборы (ПП) на однородных полупроводниках, электропроводность которых эффективно меняется под действием тепло-вого, светового, магнитного полей, либо механических напряжений.

Ранее уже рассмотрен фоторезистор с изменяющейся электропроводностью под действием светового излучения. Дадим краткую характеристику других, часто применяемых в информационно-измерительной технике и электронике, упомянутых элементов.

Терморезисторы

Терморезистор - это п-п прибор, сопротивление которого изменяется в несколько десятков раз при увеличении температуры, подчиняясь экспоненци-альной зависимости

R_t = R₀ exp B (T₀ – T) / T₀ T)

где Ro – номинальное сопротивление при исходной температуре (обычно при 20°С), указываемой в справочниках;

B – коэффициент температурной чувствительности, зависящий от физико-химических свойств полупроводника, в К (кельвинах), у разных типов терморезисторов В = 700÷15800 К; Т – любая температура в рабочем диапазоне 20÷150°С, в К.

Конструкция позистора, ВАХ терморезистора и позистора:

1 – полупроводниковый элемент; 2 – электрод; 3 – вывод; 4 – защитное покрытие

Существуют 2 группы терморезисторов: термисторы с уменьшением R и позисторы – с его увеличением при повышении температуры.

У термисторов один из основных параметров - температурный коэффици-ент сопротивления ТКR ( или α_t) отрицательный (сопротивление уменьша-ется), а у позисторов – положительный (R увеличивается):

ТКR характеризует (часто в процентах) изменение абсолютной величины сопротивления при изменении температуры на 1°С. Для многих терморезисторов ТКR составляет (-0,008)÷(-0,006) 1/ град.

Зависимость TKR от температуры: 1 – для терморезисторов; 2 – для позисторов

Резкое увеличение ТКR у позистора при увеличении температуры достигается изготовлением позисторов из титаната бария, легированного специальными примесями, увеличивающими удельное сопротивление на несколько порядков в определенном интервале температур.

Применение: в качестве датчиков температуры, в различных терморегуляторах и термометрах, в медицине для внутривенной термометрии, спектроскопии и контрольно-измерительной аппаратуре для измерения теплопроводности газов и жидкостей и т. д. В РЭА - для термостабилизации режима работы ряда элементов в ответственных узлах и в качестве ограничителей тока. В схеме (ниже) позистор RK, включенный последовательно с сопротивлением нагрузки Rн, используется в качестве ограничителя тока. Когда сопротивление нагрузки падает ниже определенного значения, в цепи увеличивается ток и возрастает температура позистора. Сопротивление позистора при этом возрастает, что ограничивает ток в цепи нагрузки.

Варисторы

Варистором называется полупроводниковый резистор, сопротивление которого эффективно уменьшается под действием приложенного к нему напряжения, а ток, протекающий в цепи, нарастает.

Виды варисторов, схема включения (а) и типовая вольтамперная характеристика (б)

Увеличение электропроводимости варистора при возрастании напряжения обусловлена несколькими механизмами: замыканием кристаллов карбида кремния вследствие увеличения напряженности электрического поля; пробоем оксидных поверхностных пленок на кристаллах и нагревом контактирующих точек между кристаллами.

Схема включения варистора для защиты контактов и стабилизации напряжения

Применение: - самое разнообразное: защита высоковольтных линий и линий связи от атмосферных перенапряжений, приборы и элементы аппаратуры от перегрузок по напряжению, защита контактов от разрушения, а также ста-билизация напряжения. Нелинейная ВАХ позволяет получать малые изменения напряжения при больших изменениях тока или сопротивления нагрузки. Стабилизаторы такого типа стабилизируют анодное напряжение передающих и приемных трубок в телевидении. В связи с тем, что к.п.д. стабилизаторов на варисторах не высок, то их используют в слаботочных схемах в качестве источника опорного напряжения.

Тензорезисторы

Тензорезистором называется преобразователь линейной деформации в изменение активного сопротивления вследствие тензоэффекта.

Тензоэффект заключается в том, что при деформации кристаллической решетки полупроводника изменяются междуатомные расстояния, приводящие к изменению концентрации и подвижности носителей зарядов, а, следовательно, к изменению электропроводности (сопротивления).

Тензорезистор – это тонкая пластина или пленка из германия, кремния, арсенида или антимонида галлия, нанесенная на изолированную подложку с двумя выводами (рис. 58), где полупроводник используется как р-типа, так и n-типа, от этого зависит вид его деформационной характеристики, представляющей собой зависимость относительного изменения сопротивления ∆ R / R от относительной деформации ∆ l / l, где l – длина рабочего тела тензорезистора. Основными параметрами тензорезистора являются номинальное сопротивление R_ном =100 500 Ом и коэффициент тензочувствительности , значение которого для различных тензорезисторов лежит в пределах от –150 до +150.

Применение: в датчиках давлений, усилий, датчиках малых перемещений и крутящего момента, а также в преобразователях давления или механи-ческих напряжений в электрический сигнал, например, в магнитофонах и звукоснимателях. Тензорезистивный эффект используется также в более сложных полупроводниковых приборах с р-n переходом для увеличения тензочувствительности – тензодиодах, тензотранзисторах и тензотиристо-рах, рассмотренных в [8].

Рис. 58. Тензорезистор: а – устройство; б – условное графическое изображение

Рис. 59. Деформационная характеристика тензорезистора

Магниторезисторы

Магниторезистором называется полупроводниковый переменный резистор, увеличивающий сопротивление под действием магнитного поля вследствие магниторезистивного (гальваномагнитного) эффекта.

Магниторезистивный эффект заключается в том, что при протекании электрического тока вдоль пластины полупроводника, помещенной во внешнее поперечное магнитное поле, происходит искривление траектории носителей зарядов вследствие действия отклоняющей силы Лоренца, что приводит к удлинению пути, проходимого носителями между электродами, к которым приложено внешнее электрическое поле, что эквивалентно возрастанию удельного сопротивления полупроводника.

Магниторезистор представляет собой нанесенную на ферромагнитную изолированную подложку зигзагообразную дорожку малой ширины из полупроводника с высокой подвижностью носителей зарядов (например, бинарные элементы-антимонид и арсенид цинка и их смеси: ZnSb, ZnAs, ZnSb + NiSb, InSb + NiSb), имеющую сопротивление в пределах от единиц до тысяч Ом (рис. 60,а).

Рис. 60. Общий вид и графический символ магниторезистора (а)

и зависимость его сопротивления от индукции магнитного поля (б)

Основные параметры: сопротивление R₍₀₎ в отсутствие магнитного поля (от 5 до 1000 Ом); отношение , где R _{( B )} – сопротивление при наличии поперечного магнитного поля с индукцией В = 0,5–1 Тл (от 3 до 20 и более), температурный коэффициент сопротивления (ТКС и ТКR) – от 0,02 до 2 % / К ^-1, мощность рассеивания (до 0,25 Вт).

Применение: измерение магнитной индукции, преобразование постоянного тока в переменный, в усилителях и генераторах; чувствительные элементы бесконтактных переключателей и датчиков линейных перемещений, бес-контактные потенциометры и т.д.

Магниторезисторы имеют практически неограниченный срок службы (отсутствие подвижного контакта исключает механический износ резистора), отличается плавностью изменения сопротивления, отсутствием шумов, свойственных переменным резисторам с подвижным контактам.

Холлотроны (датчики Холла)

Холлотроном (датчиком Холла) называется полупроводниковый прибор, преобразующий индукцию внешнего магнитного поля в электрическое напряжение на основе эффекта Холла (Эдвин Холл, амер. физ. – 7.11.1855 – 20.11.1938 г.).

Эффект Холла заключается в том, что при протекании тока I_x вдоль плоской прямоугольной пластины из полупроводника (Ge, Se, GaAs, InSb и др.), поме-шенной в перпендикулярное току магнитное поле В, происходит искривление траекторий носителей заряда и их накопление на боковой грани пластины, вследствие чего возникает ЭДС Холла е_х = (КRB∙sinαI_x)/ h, где К – конструк-тивный коэффициент, зависящий от геометрии пластины; R – постоянная Холла (для полупроводников R≈10⁵ см³/Кл); В – индукция магнитного поля (Тл); h – толщина пластины; α – угол между плоскостью пластины и направлением .

Таким образом, в датчиках Холла, как и в магниторезисторах, используется один из видов гальваномагнитного явления.

Простейший датчик Холла (рис. 61) представляет собой тонкую пластину (или пленку) из полупроводника, укрепленную (напыленную) на прочной подложке из слюды, керамики или ферритов, с четырьмя электродами (1–4) для подведения электрического тока и съема ЭДС Холла.

Рис. 61. Структура и графическое изображение холлотрона

Применение: в качестве первичных измерительных преобразователей в магнитометрах, бесконтактных преобразователях постоянного тока в переменный и т. д. Один из типовых датчиков Холла ДХ-611 имеет размеры мм; токи питания как правило 1- 100 мА (зависят от величины входного сопротивления датчика), чувствительность может достигать 1000 мВ/Тл и более, рабочий диапазон температур от -270 °С до 200 °С. Кроме чувствительности одними из основных параметров датчиков Холла являются температурная зависимость чувствительности, входного сопротивления, начального выходного сигнала Uо.

Магниторезистивный эффект используется также в более сложных полупроводниковых приборах с р-n переходом, в частности, в магнитодиодах, чувствительность которых в 1000 раз больше, чем у датчиков Холла [8].

3.

БИЛЕТЫ № 16, 17, 18