6.4: на з'єднаннях

Багато пристроїв, включаючи фотоелектричні прилади, світлодіоди, фотодіоди, напівпровідникові лазери та термоелектричні пристрої, по суті виготовляються з pn переходів. Щоб зрозуміти фотоелектричні пристрої та ці інші пристрої перетворення енергії, нам потрібно зрозуміти pn переходів. Розглянемо напівпровідниковий кристал, що складається з матеріалу n-типу (з надлишком електронів) з одного боку і матеріалу p-типу (відсутні електрони, іншими словами, з надлишком дірок) з іншого боку. З'єднання матеріалів p-типу і n-типу називається pn переходом. Припустимо, що стик різкий і знаходиться в тепловій рівновазі.

Деякі pn переходи зроблені з елементарних напівпровідників, таких як Si, а інші pn переходи зроблені з складних напівпровідників, таких як GaAs.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Діаграма енергетичного рівня напівпровідників p-типу та n-типу.

Деякі pn з'єднання мають однаковий матеріал з обох сторін, тоді як інші pn з'єднання мають різні матеріали з обох сторін. Наприклад, pn перехід може бути виконаний з n-типу шару GaAs і p-типу шару GaAs. Він також може бути зроблений з n-типу шару GaAs і p-типу шару AlAs.

Що відбувається, коли ми складаємо матеріал p-типу та матеріал n-типу разом, щоб утворити pn перехід? Валентні електрони і дірки рухаються. Ядер і електрони внутрішньої оболонки не мають. Деякі надлишкові електрони з області n-типу йдуть у напрямку області p-типу. Деякі надлишкові отвори з області p-типу йдуть до області n-типу. Ці носії заряду дифузні, змітаються далеко від, області поблизу переходу. Ця область поблизу переходу, в якій бракує носіїв заряду, називається виснажувальним шаром [10, с. 564]. Як показано на рис. \(\PageIndex{1}\), рівень Фермі\(E_f\) знаходиться поблизу валентної зони для матеріалів p-типу. Матеріалу P-типу не вистачає електронів, тому енергія, де однаково ймовірно знайти електронний стан, зайнятий і незайнятий, ближче до валентної зони. З аналогічної причини рівень Фермі\(E_f\) знаходиться поблизу зони провідності для матеріалів n-типу. \(\PageIndex{2}\)На малюнку показана діаграма рівня енергії в порівнянні з положенням для pn переходу, а рівні Фермі двох матеріалів вишикуються на цьому малюнку.

Розглянемо перехід, де матеріалом n-типу є кремній, легований атомами фосфору, а матеріалом p-типу є кремній, легований атомами алюмінію. Сторона n-типу pn переходу має надлишок позитивних зарядів, оскільки деякі атоми фосфору замінюють атоми Si в матеріалі. Атоми фосфору мають на один протон більше, ніж атоми кремнію. У них також є ще один електрон, але валентний електрон є носієм заряду, який дифундує далеко від переходу. Аналогічно, сторона переходу p-типу має надлишок негативних зарядів, оскільки деякі атоми алюмінію замінюють атоми кремнію. Атоми алюмінію мають на один протон менше, ніж атоми Si. Вони також мають на один електрон менше, але дірка є носієм заряду, який також дифундує далеко від переходу.

Через перехід утворюється електричне поле через розподіл чистого заряду поблизу переходу. Напруженість електричного поля - це сила на одиницю заряду, і вона має одиниці\(\frac{V}{m}\). Також обов'язково відбувається падіння напруги на pn переході в рівновазі, і це напруга називається контактним потенціалом\(V_0\) в одиницях вольт. Хоча контактний потенціал є напругою, його неможливо виміряти, розмістивши вольтметр через pn перехід, оскільки на кожному відведенні вольтметра утворюються додаткові переходи з введенням додаткових напруг [9, с. 141].

Малюнок\(\PageIndex{2}\) ілюструє діаграму енергетичного рівня pn переходу. Горизонтальна вісь представляє положення, а вертикальна вісь - енергію. Це пов'язано з цифрами в розділі 6.2. Однак рис. \(\PageIndex{2}\)масштабується по вертикалі, і він наноситься в залежності від положення біля стику. Він також показує взаємозв'язок між діаграмою рівня енергії та символом схеми для діода, а шар виснаження маркується. Відстань по вертикалі\(qV_0\), також позначене на рис. \(\PageIndex{2}\), являє собою кількість енергії, необхідної для переміщення електрона через перехід [9, с. 141].

\(\PageIndex{3}\)На малюнку показана діаграма рівня енергії для прямого зміщеного pn переходу. У прямому зміщеному pn переході струм протікає від p-типу до n-типу сторони переходу. Більш конкретно, отвори перетікають з області p-типу в n-тип, і деякі з цих отворів нейтралізують надлишкові заряди в виснажувальному шарі. Шар виснаження стає більш вузьким. Електричне поле, що перешкоджає потоку зарядів, стає менше, а падіння напруги на переході стає менше. Енергія\(q (V_0 - V_x)\) позначена на рис. \(\PageIndex{3}\)для прямого зміщеного pn переходу, де напруга\(V_x\) - це напруга, що подається. Ця енергія являє собою енергію, необхідну для отримання зарядів для протікання через перехід, і вона менша, ніж відповідна енергія в разі неупередженого переходу. Заряди протікають легше в разі прямого зміщеного pn переходу, а діод виконує роль проводу.

\(\PageIndex{4}\)На малюнку показана діаграма рівня енергії для зворотного зміщеного pn переходу. Для зворотного зміщеного pn переходу напруга на\(V_0 + V_x\) переході більше, ніж для неупередженого переходу, а енергія, необхідна для потоку\(q (V_0 + V_x)\) зарядів, більше, ніж для неупередженого переходу. Зворотні зміщені pn переходи діють як відкриті ланцюги, і заряди не надходять через таку кількість енергії, необхідної.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Діаграма енергетичного рівня неупередженого pn переходу.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Діаграма енергетичного рівня вперед зміщеного pn переходу.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Діаграма енергетичного рівня зворотного зміщеного pn переходу.

Світловипромінюючий діод (LED) - це пристрій, який перетворює електрику в оптичну електромагнітну енергію, і виготовляється він з напівпровідникового pn переходу. При використанні поперек світлодіода ставлять ухил вперед, як показано на рис. \(\PageIndex{3}\). Отвори течуть від p-типу до області n-типу. Деякі з цих дірок об'єднуються з електронами в виснажувальному шарі. У світлодіоді фотони випромінюються в цьому процесі. Енергія випромінюваного фотона відповідає енергії енергетичного розриву. Деякі світлодіоди мають додатковий внутрішній, нелегований, шар на стику, між шарами p-типу і n-типу для підвищення ефективності роботи пристрою.

Сонячна батарея та оптичний фотоприймач також по суті знаходяться на переходах. Обидва ці пристрої перетворюють оптичну електромагнітну енергію в електрику. Коли світло світить на цих пристроях, на стику створюються електронно-дірочні пари. Завдяки розподілу заряду по переходу багато створені електрони і дірки змітаються від переходу, перш ніж вони зможуть рекомбінувати [9]. Цей потік зарядів є струмом, тому оптична електромагнітна енергія перетворюється в електрику. Коли світло світить на фотоелектричному пристрої, напруга може бути виміряна через перехід, і цей ефект називається фотоелектричним ефектом [9, с. 212].

Вертикальна відстань між смугою провідності та валентною смугою на діаграмі енергетичного рівня є енергетичним розривом\(E_g\). Енергетичний проміжок матеріалу, використовуваного для виготовлення сонячної батареї або фотоприймача, визначає властивості приладу. Фотони з енергією, більшою за енергетичний проміжок, мають достатньо енергії для формування електронно-діркових пар, тоді як фотони з меншою енергією не можуть.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Діаграма атмосферних вікон - довжини хвиль, при яких електромагнітне випромінювання буде проникати в атмосферу Землі. Хімічні позначення (\(\text{CO}_2\),\(\text{O_3}\)) позначають газ, відповідальний за блокування сонячного світла на певній довжині хвилі. Ця цифра використовується з дозволу [72].

Якщо температурний градієнт застосовується через pn перехід, заряди протікають. Коли нагрівається одна сторона пристрою, заряди рухаються швидше, і ці енергетичні заряди розсіюються в сторону кулера. Цей ефект, який називається термоелектричним ефектом Зеєбека, розглядається в главі 8.