i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

Transkrypt

1 Półprzewodniki i elementy z półprzewodników homogenicznych część II Ryszard J. Barczyński, 2016 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Półprzewodniki nośniki nierównowagowe Z nośnikami nierównowagowymi (nadmiarowymi) będziemy mieli do czynienia gdy zwiększamy koncentrację elektronów n lub dziur p (a często obu rodzajów nośników) ponad stan równowagi termicznej n=n n n e p=p n p e Wielkości z indeksem e oznaczają nośniki nadmiarowe. Mechanizmy: generacja injekcja (wstrzykiwanie) ekstrakcja

3 Półprzewodniki nośniki nierównowagowe absorpcja optyczna Jeżeli foton promieniowania elektromagnetycznego ma odpowiednio dużą energię h > E g, to może on ulec absorpcji w półprzewodniku. Powstające nośniki są nadmiarowe. Absorpcja promieniowania jest oczywiście proporcjonalna do jego natężenia, możemy więc znaleźć wyrażenie na zależność natężenia od grubości warstwy pochłaniającej. Współczynnik absorpcji zależy od rodzaju materiału i długości fali promieniowania. d I x dx I x I x =I 0 e x

4 Półprzewodniki nośniki nierównowagowe absorpcja optyczna

5 Półprzewodniki nośniki nierównowagowe W praktyce często znaczenie ma niski poziom injekcji nośników jednego rodzaju - na przykład taki, że n n n e p n p e p e p n Nośniki mniejszościowe nierównowagowe ulegają rekombinacji, przy czym wydziela się energia promienista (luminescencja) lub bezpromienista. Rekombinacja może zachodzić bezpośrednio między pasmem przewodnictwa i walencyjnym lub poprzez stany pośrednie.

6 Półprzewodniki równania transportu Gdy skojarzymy równania na prąd, równania ciągłości (czyli matematyczną postać prawa zachowania ładunku) oraz równanie Poissone'a otrzymamy pięć równań, za pomocą których możemy analizować transport ładunków. Równania te rozwiązuje się zwykle numerycznie. W przypadku jednowymiarowym: j n = j dn j un j p = j dp j up n t = 1 j n q x G R n n p t = 1 j p q x G R p p 2 V x = q n p Na Nd 2 0

7 Fotorezystory Charakterystyka widmowa fotorezystora CdS jest zbliżona do charakterystyki oka ludzkiego Fotorezystory charakteryzują się dużą czułością, co ułatwia stosowanie ich w prostych układach aplikacyjnych.

8 Efekt Halla Oddziaływanie pola magnetycznego na nośniki ładunków poruszające się w przewodnikach i przewodnikach powoduje wystąpienie w nich efektu Halla. Polega on na pojawieniu się różnicy potencjałów w materiale, w kierunku prostopadłym zarówno do kierunku przepływającego prądu, jak i do kierunku przyłożonego pola magnetycznego.

9 Efekt Halla Rozważmy proces działania pola magnetycznego na nośniki prądu w prostopadłościanie o bokach a, b i d pokazanym na rysunku. Przy założonych kierunkach prądu i pola magnetycznego na dodatnie nośniki prądu działa siła Lorentza skierowana ku górze. Górna powierzchnia ładuje się dodatnio tak długo, aż pole siła elektrostatyczna zrównoważy siłę Lorenza q E h =q U h a =q v B

10 Efekt Halla q E h =q U h a =q v B Iloczyn qv możemy policzyć z gęstości prądu w próbce j= I a d =n q v skąd q U h a =B I n a d zatem poprzeczne napięcie pojawiające się na próbce wyniesie: U h = 1 n q B I d

11 Efekt Halla zastosowania U h = 1 n q B I d Zjawisko Halla ma duże znaczenie praktyczne. Wykorzystuje się je do pomiaru koncentracji nośników (znając przewodnictwo możemy znaleźć również ruchliwość nośników), do pomiaru indukcji pola magnetycznego, a także do budowy czujników położenia i przemieszczenia. Element wykorzystujący efekt Halla nazywa się hallotronem. Znak napięcia Halla zależy od znaku nośników ładunku.

12 Efekt Halla przykłady zastosowań Nadajnik Halla w samochodowym układzie zapłonowym Układ do pomiaru dużych prądów Koder położenia

13 Efekt Peltiera Jeżeli pod wpływem pola elektrycznego w półprzewodniku płynie prąd, to unoszeniu nośników towarzyszy unoszenie energii termicznej (efekt Peltiera). Na przykład, gdy nośnikami sę elektrony to średnia energia (liczona względem poziomu Fermiego) przenoszona przez każdy elektron wynosi E c E f 3 2 k B T

14 Efekt Peltiera Gdy nosnikami są dziury kierunek unoszenia ciepła jest zgodny z kierunkiem przepływu prądu, a gdy elektrony przeciwny do niego.

15 Efekt Peltiera Elementy Peltiera (zwane też ogniwami Peltiera) znajdują szerokie zastosowanie w technice jako elektryczne pompy ciepła.

16 Magnetoopór Magnetoopór (magnetorezystancja) jest to zjawisko polegające na zmianie oporu danego materiału pod wpływem przyłożonego pola magnetycznego. Odkryte ono zostało przez Williama Thomsona (lord Kelvin). W metalach jest praktycznie niezauważalny, a w półprzewodnikach jest wyraźny. Zastosowanie podobne do czujników Halla, ale magnetorezystory są mniej rozpowszechnione.