Аспекты социологии научного познания в физике Поздняк Н.И. 10.02.22 1.22 Аспекты социология научного познания в физике. Аспекты социологии научного познания в физике Введение
 Скачать 1.97 Mb.
|
|
6. Зонная теория и полупроводники Удельное сопротивление полупроводников больше, чему металлов, но меньше, чему диэлектриков ширина запрещенной зоны занимает промежуточное значение (при 300K, Si-1,12, Ge-0,67, InP-1,42, эВ. По мере возрастания температуры сопротивление проводников увеличивается, так как увеличивается рассеивание электронов на возросшем колебании решетки. Сопротивление полупроводников с температурой уменьшается, так как возрастает число электронов в зоне проводимости и, одновременно, уменьшается их число в валентной зоне, при этом, этот эффект сильнее рассеивания электронов на тепловых колебаниях ионов решетки. Для полупроводников с шириной запрещенной зоны около эВ увеличение температуры на сто градусов число электронов в валентной зоне увеличивается враз. Электроны перешедшие в зону проводимости оставляют после себя в валентной зоне вакансии, которые, принято называть, дырками, имеющие условно положительный заряд. Электроны валентной зоны перемещаются в места вакансий, оставляя после себя новые вакансии (дырки. Таким образом, проводимость полупроводника обеспечивается как электронами, таки дырками, перемещающимися в противоположных направлениях. Следует отметить, что при низкой температуре чистые, то есть, без примесей (собственные полупроводники) ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры или приложения внешнего электрического поля 89 валентные электроны могут преодолеть барьер запрещенной зоны и переместятся в зону проводимости. В таком случаев собственном, то есть, без примесей, полупроводнике наблюдается электронно-дырочная проводимость. Значительно больший практический интерес вызывают примесные полупроводники, так как с помощью примесей можно изменять электрофизические свойства полупроводника в широких пределах. Если валентность примеси на единицу больше валентности основного материала (P, As, Sb: валентные, а Si, Ge: валентные, то проводимость электронная, а полупроводник называется n – типа. Полупроводник р-типа, то есть, с дырочной проводимостью, если валентность примеси на единицу меньше валентности основного материала (В, Ga, In, Tl: валентные, а Si, Ge: 4- валентные. Донорные уровни для валентной примеси располагаются вблизи дна зоны проводимости на расстоянии меньше 0,01 эВ, то есть комнатной температуры достаточно для перемещения донорных электронов в зону проводимости. Акцепторные уровни для х валентной примеси располагаются вблизи потолка валентной зоны на расстоянии 0,08 эВ. В этом случае, электроны из валентной зоны перемещаются на примесный уровень, оставляя после себя вакансию, то есть дырку, которая может перемещаться по мере заполнения и появления новых вакансий. Особенности энергетических спектров полупроводников позволяют использовать эти свойства для создания лазеров в широком диапазоне длин волн. Легированные полупроводники чувствительны к внешним воздействиям нагревание, давление, различным излучениям. Еще до появления первого полупроводникового лазера на арсениде галлия (г) Н. Басов (1922-2001, НП) , Ю. Попов (гр, Б. Вул (гр) разработали принципы создания и функционирования полупроводниковых излучателей. Сегодня промышленность выпускает большое число разных типов 90 полупроводниковых лазеров. Например, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, PbS, PbSe, GaAs, GaTe, Al 1-x Ga x As, GaAs 1-x Sb x и др. Полупроводниковые лазеры излучают на различных длинах волн, начиная от УФ до дальнего ИК (0,38 - 31 мкм. Полупроводниковые лазеры малогабаритны, мало потребляют энергии и имеют очень высокий кпд. до 98%. Энергетическая структура полупроводника состоит из трех широких зон. Рис.1Схемауровней легированного полупроводника. Рис Схема уровней полупроводника Валентная и зона проводимости разделены относительно широкой запрещенной зоной так, что чистый полупроводник по своим свойствам ближе к диэлектрикам. В результате внешних воздействий, например, тепла или излучения, электроны из валентной зоны перейдут в зону проводимости. Тогда образуется пара электрон-дырка, которая может участвовать в проводимости. С другой стороны, спонтанный или вынужденный переход под действием света в основное состояние сопровождаться рекомбинацией электрона и дырки (электрон возвращается в валентную зону. Однако, в условиях термодинамического равновесия полупроводник может только поглощать свет, ноне усиливать внешнее излучение, так как концентрация электронов в валентной зоне всегда больше, чем в зоне проводимости. Другое дело, когда запрещенная зона станет уже за счет свободных зон вблизи дна запрещенной зоны и зон выше потолка валентной зоны. Для получения инверсной заселенности, а значит создания условий для индукционных переходов, необходимо, чтобы у дна зоны проводимости электронов оказалось значительно больше, чему потолка валентной зоны. 91 Полупроводник считается вырожденным, когда в зоне проводимости число электронов значительно больше, чем в валентной зоне, а все дырки находятся вверху валентной зоны. Легирование полупроводника трехвалентной примесью делает его полупроводником р-типа, тес дырочной проводимостью. Легирование полупроводника пятивалентной примесью делают его полупроводником типа, тес электронной проводимостью. В результате легирования получаем необходимые свободные зоны у потолка валентной зоны и у дна зоны проводимости. Эти свободные зоны названы уровнями Ферми. При возбуждении атома в зоне проводимости концентрация электронов становится выше, чем в валентной зоне и расстояние между уровнями Ферми становится больше ширины запрещенной зоны, и это создает условие для получения инверсной заселенности уровней. Накачку этих уровней можно осуществить нагреванием, излучением, пропусканием тока. Соединяя полупроводники противоположной проводимости вместе их контакта получим р переход. При совпадении частоты вынуждающего излучения с частотой перехода в зону проводимости можно получить усиленное индуцированное излучение в результате вынужденной рекомбинации электронно-дырочных пар. Помещая вырожденные полупроводник в оптический резонатор, возникшие при рекомбинации, фотоны будут многократно проходить кристалл, индуцируя все больше таких же фотонов, создавая их лавину. При этом, широкая вначале полоса частот будет постепенно сужаться, по причине, резонансных свойств резонатора. В качестве резонатора служат зеркала (L1 и L2) или полированные грани кристаллов. Пример схемы полупроводникового лазера рис 2 92 Рис Схемаполупроводникового лазера Полупроводниковые лазеры можно разделить по способу накачки 1) инжекционные нар переходе, 2) с электронным возбуждением, 3) с оптической накачкой, 4) прямым электронным возбуждением через лавинный пробой. Наиболее распространены инжекционные лазеры, когда инжекция неравновесных носителей происходит при пропускании прямого тока через р – переход. Инжекционные лазеры делят на гомоструктурные и гетероструктурные (собраны из нескольких полупроводниковых веществ. Твердотельные лазеры на ионах неодима работают по четырехуровневой схеме накачке инверсионных уровней. К этим лазерам относятся неодимовые лазеры на стекле и на кристаллах ИАГ (иттрий алюминиевый гранат. Оптически однородный круглый стержень, активированный трехвалентными ионами неодима, является активной средой оптического квантового генератора (ОКГ). Облучая активную среду мощным потоком импульсного или непрерывного излучения производим накачку активной среды (инверсное заселение. По краям активной среды строго параллельно устанавливают плоские или сферические интерференционные зеркала (оптический резонатор, расчитанные только на одну длину волны лазерного излучения. Так как объем активной среды непосредственно влияет на выходную мощность лазера, то лазеры на стекле имеют неоспоримые достоинства практически любой размер и форму (длина до двух метров, диаметр стержня до 80 мм) высокая оптическая однородность и низкая стоимость по сравнению с кристаллическими средами. Правда, стекло имеет низкую теплопроводность, поэтому стеклянный лазер необходимо охлаждать проточной водой, особенно в многоимпульсном режиме. Энергетическая схема накачки неодимового лазера приведена на рис. 93 Рис Схема накачки неодимового лазера Е – основной уровень, Е - верхний уровень накачки, Е – метастабильный уровень, Е – конечный уровень. Время жизни на уровне Е около 10 -5 с зависит от концентрации ионов неодима, температуры и теплофизических свойств стекла. Через безызлучательные переходы энергия возбужденных атомов с уровня Е передается метастабильному уровню Е, на котором время жизни около 10 -3 с. Рабочим или лазерным переходом является переход ЕЕ с излучением на ƛ = 1,064 мкм. Уровень Е почти пустой, так как тепловой переход ЕЕ запрещен, ввиду их энергетической разницы в 200 см см = 1,24 10 -4 эВ. Таким образом, получена инверсия заселенности, позволяющая активной среде усиливать вынуждающее излучение путем индуцированных переходов. Для возбуждения х уровневой активной среды требуется значительно меньше энергии, чем для х уровневой системы накачки. Более перспективным оказался лазер на кристалле (иттрий-алюминиевый гранат) ИАГ (Y 3 Al 5 O 12 : Nd +3 ) c ƛ = 1,064 мкм. Этот лазер может работать в многоимпульсном и непрерывном режимах излучения, ввиду высокой теплопроводности кристалла. Мощность лазера до кВт, а расходимость луча менее 30 угловых минут, кпд. около 2%, плотность мощности в импульсе до 10 8 Вт/см 2 . Лазер может работать в многомодовом (свободная генерация) и одномодовом (модуляция добротности) режимах. В одномодовом режиме средняя мощность уменьшается, а плотность мощности повышается за счет уменьшения расходимости луча и уменьшения длительности импульса. Лазер на ИАГ может работать с частотой 100 Гц и длительностью импульса менее10нс. Срок эксплуатации твердотельных лазеров в основном определяется сроком службы импульсных ламп накачки, которую легко заменить на новую. При соответствующей настройке резонатора лазер ИАГ может работать на удвоенной частоте, или ƛ = мкм. Работая в многоимпульсном режиме активный элемент 94 нагревается и его характеристики изменяются. Поэтому большинство твердотельных лазеров необходимо охлаждать проточной водой и правильно выбрать частоту следования импульсов, во избежание срыва генерации излучения. 7. Применение полупроводников Предполагая, что у собственного полупроводника нет дефектов и посторонних атомов при температуре 0 К, полупроводник ведет себя, как диэлектрик, то есть его проводимость отсутствует. В электрическом поле при температуре больше 0 К появляются свободные электроны и дырки, то есть вакансии, которые тоже могут перемещаться, создавая проводимость тока. В примесных полупроводниках проводимость в основном обеспечивается только электронами для пятивалентной примеси и дырками для трехвалентной примеси. В практическом плане важно поведение электронного и дырочного полупроводника на границе их соприкосновения, то есть р переход. Для получения р перехода на поверхности кристаллов кремния или германия формируют методом легирования области с различной проводимостью. Р переход можно использовать как вентиль (диод, пропускающий ток водном направлении. Конструктивно полупроводниковые диоды делятся на точечные и плоскостные. На поверхности кристаллы (база) германия или кремния n – проводимости формируется область р-проводимости. На границе двух проводимостей образуется р переход в результате диффузии электронов в р-область, а дырки в п-области. При этом, часть электронов и дырок рекомбинируют в переходной области, тем самым, эта область обеднена основными носителями и ее электрическое сопротивление возрастает. Кроме того, на границе ни р-областей возникает двойной электрический слой, 95 образованный положительными ионами, которые не успели рекомбинировать с электронами донарной примеси, и отрицательными ионами, не успевших рекомбинировать с дырками акцепторной примеси. В результате электрическое поле двойного слоя препятствует переходу основных носителей через этот слой. Перемещения зарядов прекратится при равновесии зарядов в каждой области. Толщина переходного слоя может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от знака приложенного постоянного напряжения. Если положительный полюс источника приложен к р-электроду, а минус к п-электроду, то толщина переходного слоя уменьшается и диод подключен в прямом направлении (прямое смещение, то есть обладает низким сопротивлением. Диод запирается (обратное смещение, если полярности обратные минус на р-электроде, а плюс на п- электроде. На рис. 4 ирис показано распределение переходной зоны для двух вариантов подключения полупроводников с дырочной и электронной проводимостью. Рис Прямое подключение. Переходная зона узкая и сопротивление ее низкое. Рис Обратное подключение. Сопротивление переходной зоны большое. 96 У точечного диода съемный контакт в виде иголки и площадь контакта очень мала, что позволяет пропускать более высокочастотный сигнал, чем для плоскостного диода. На рис. 6 приводится схема конструкции точечного диода. Рис Схема точечного диода У плоскостного диода площадь зоны р перехода большая и съемный контакт обеспечивается припоем из индия. При очень высоком обратном смещении, когда подано высокое отрицательное напряжение на р-электрод воэможен пробой диода (лавинный пробой, когда напряженность электрического поля достаточна для отрыва электронов от атомов. Для туннельных диодов предусмотрено сильное легирование, поэтому, зона р-н перехода сужается и, даже, малое смещение обеспечивает прохождение сильного тока при этом, туннельные диоды обладают большой скоростью срабатывания в электрических цепях. В качестве примера использования р перехода в ядерной физике используют полупроводниковый детектор в качестве счетчика заряженных частиц. Для образования дырочно-электронной пары требуется энергия частицы не меньше энергии трех ширин запрещенных зон для кремния –3,6 эВ, для германия – 2,9 эВ. Рис. 7 Распределение зон полупроводника. 97 Кремний и германий обладают достаточно большой собственной проводимости при комнатной температуре, поэтому кроме тщательной очистки от примесей кристаллы необходимо охлаждать жидким азотом (-196 о СУ германия ширина запрещенной зоны уже (0,67 эВ по сравнению 1,12 эВ у кремния) и заряд ядра (Z = 32) выше чему кремния (Z = 14), поэтому в качестве детекторов чаще используют германий. При комнатной температуре полупроводниковый детектор может работать на p-n переходе, который получают путем диффузии, например, донора (фосфор) на полупроводник р типа, тогда на поверхности получаем проводящий слой типа. На рис. 8 приведена вольтамперная кривая р-н перехода Рис Вольтамперная зависимость фототока и напряжения В результате имеем p-n переход, толщина которого всего 100 мкм. Ширину перехода можно увеличить до 300 мкм, если приложить напряжение в направлении p-n перехода. Именно в этом переходе происходит регистрация заряженной частицы. Частица влетает в запрещенную зону и создает электронно-дырочный ток, при этом для образования такой пары требуется всего 3 эВ, когда как для ионизации атома в ионизационной камере требуется более 20 эВ. Рис Схема полупроводникового счетчика для регистрации сигнала. Частица, проходя через кристалл, образует ионы и вторичные электроны в количестве до 10 17 в см, которые надо собрать до их рекомбинации с дырками. При этом, если частица отдаст всю свою энергию в кристалле, то можно вычислить ее энергию и потери. В результате, величина сигнала 98 получается в несколько раз выше. Схема действия полупроводникового счетчика приведена на рис. 10 Рис Схема действия полупроводникового счетчика. По сравнению с газовыми счетчиками энергетическое разрешение полупроводникового детектора выше в пять раз, так для релятивистской частицы с энергией 1 МэВ разрешение составляет 1 кэВ. Ионизационные потери Е dx для частиц с соответствующей скоростью составляют 0,4 кэВ на мкм, что дает число пара для p-n толщины в 0,3 мкм число пар всего 3*10 Для измерения полной энергии протона или альфа частиц удобно использовать поверхностно-баръерные полупроводниковые счетчики, представляющие собой таблетку из кремния или германия диаметром всего 1 см с обедненным тонким слоем. Такой детектор точнее других детекторов и удобен в использовании, и позволяет регистрировать альфа-частицы. При ширине обедненной зоны в d = 300 мкм и напряженности электрического поля Е = 10 3 В/см время сбора носителей составляет t с = 𝑑 𝜇𝐸 = 30 нс, где 𝜇 = 10 3 см 2 /В – подвижность носителей зарядов. Для регистрации гамма-квантов и заряженных частиц с высокой энергией используют полупроводниковые германиевые, кремниевые или литий- дрейфовые детекторы с p-i-n – переходом, у которых обедненный слой несколько мм, а значит возможностей больше. Одним из вариантов детектора гамма излучения является германиевый детектор с p-n переходом, изготовленный в коаксиальном исполнении для увеличения площади поверхности, а значит чувствительности детектора. Так как атомный номер 99 германия больше, чему кремния, то чувствительность его выше. Однако, при комнатной температуре полупроводники имеют достаточно большую собственную проводимость, что может экранировать полезный сигнал от излучателя. В этом случае приходиться очень тщательно очищать кристалл от примесей, или понизить его температуру. Высокоочищенный германий, объемом до 100 см, используют в чувствительных гамма-спектрометрах, но его необходимо охлаждать жидким азотом. Для комнатной температуры обычно используют переход, который получают путем внедрения донора (фосфора) методом температурной диффузии или ионной имплантации на пластинке p-Si, толщиной 0,3-0,5 мм (толщина должна быть минимальной, но учитывает электрический пробой. При этом, ширина перехода составляет 10 -3 мм при отсутствии напряжения на переходе. В прямом направлении напряжения около 100 В, ширина перехода становится равной до 0,3 мм. Именно в этом переходе регистрируются частицы, так как все электрическое поле сосредоточено внутри перехода. Можно еще раз отметить, что полупроводниковые детекторы имеют лучшее энергетическое разрешение, например, 10 кэВ для частицы энергией 10 МэВ, то есть точность не хуже 0,1 % по сравнению с другими детекторами заряженных частиц. При подключении диода c высокой концентрацией носителей р-н перехода электронов в р-области и дырок в н-области) в прямом направлении инжекция неосновных носителей) происходит рекомбинация электронов и дырок, сопровождающаяся излучением света. Светодиод представляет собой легированный полупроводниковый кристалл (чип) с размером ребра кубика около 0,3 мм. Если в чипе сформированы два р-н перехода, то можно управлять цветом светового излучения. Низковольтное питание (1,5 – 4 В) можно модулировать (частотой до 1 ГГц) для использования, например, при управления информационным сигналом в волоконной линии связи (ВОЛС). Солнечные элементы являются основой солнечных батарей, предназначенных для преобразования энергии квантов света в 100 электрическую энергию. В тоже время, работа солнечных элементов основана на явлении фотопроводимости полупроводников. Если энергия квантов света больше ширины запрещенной зоны полупроводника, тогда возможен переход валентных электронов в зону проводимости, а дырок в валентную зону то есть возникает собственная проводимость полупроводника. А случае примесных полупроводников ширина запрещенной зоны сужается, так как вблизи дна зоны проводимости возникает донорный уровень, с которого электронам легче попасть в зону проводимости, а вблизи потолка валентной зоны возникает акцепторный уровень, на который электроны легко перемещаются электроны валентной зоны, тем самым, увеличивая концентрацию дырок в этой зоне. Таким образом, поток квантов света создает примесную фотопроводимость для n- полупроводника электронную проводимость, а для р-полупроводника дырочную проводимость. Критерием наличия фотопроводимости является красная граница и ее условия 1) для собственного полупроводника h 𝜈 ≫ ∆E и к = 𝑐ℎ ∆E ; 2) для примесного полупроводника h 𝜈 ≫ при к = 𝑐ℎ ∆Епр . Так как ширина запрещенной зоны у примесных фотопроводников меньше, чему собственного, то красная граница длины волны света примесного полупроводника в инфракрасной области, ау собственного в видимой области спектра. Для получения и практического применения полупроводниковых приборов необходимо знать основные физические характеристики тип проводимости, наличие примесей, толщину слоя объемного заряда, диффузионную длину носителей заряда, ВАХ, термоэдс. и др. Тип проводимости можно определить через двухзондовый эффект Холла (1855-1938) (1879) или через термоэлектрический эффект Зеебека (1778-1831) (1821), четырехзондовый метод используют для определения электропроводности, исследовать основные характеристики полупроводника позволяет метод токов 101 полученного при инжекции электронным зондом, приложенного перпендикулярно р-п переходу (Соболев ММ) и др. 8. Полупроводниковый триод Изобретателем вакуумного лампового диода принято считать Дж.Флеминга (1849-1945) 1904 г, который принимал непосредственное участие в усовершенствовании радио Маркони (1874-1937, НП). В основе диода Флеминга были явление термоэлектронной эмиссии нагретых проводников (открыто Ф.Гутри 1873 г) в электрическом поле высокой напряженности (теория О.Ричардсон (1879-1959), НП) и вентильный эффект ртутного выпрямителя (Купер Хьюит, 1861-1921). В отличие от полупроводникового диода вакуумный диод имеет одностороннюю электронную проводимость. Косвенно нагретый до высокой температуры металлический катод инжектирует электроны, которые перемещаются к положительно заряженному аноду в этом случае диод подключен в прямом направлении и пропускает ток. У трехэлектродного вакуумного триода, изобретенного в 1907 г. Лиде Форестом (1873-1961), между катодом и анодом размещается сетка управления. Подавая на сетку управления небольшой сигнал, можно изменять силу тока через лампу в большом диапазоне. Имея нелинейную вольтамперную характеристику триод может работать как усилитель. В зависимости от числа электродов вакуумные лампы имеют названия тетрод, пентод, двойной триод и т.д. Ламповые усилители отличаются высокой надежностью, большой мощностью, устойчивостью к ионизирующему излучению, низкими шумами. Выпрямительные свойства кристаллов были открыты раньше ламповых диодов 1874 г. К.Ф.Браун (1850-1918, НП). Первый 102 детекторный приемник на кристалле сульфид свинца был запатентован в 1904 г. Дж.Бос (1858-1037). С появлением ламповых выпрямителей интерес к твердотельным диодам снизился до момента появления полупроводниковых триодов. Хотя выпрямительные и усиливающие свойства кристаллического триода были открыты еще в тридцатых годах, но из-за конкурентной политики сведения о триодах появились позже. Изобретателями полупроводникового транзистора признаны Дж.Бардин (1908-1991, НП), У.Шокли 1910-1989, НП), У.Брайттен (1902-1987, НП) в 1948 г. НП Упрощенно транзистор представляет собой сильно легированные кристаллы кремния или германия, в которых между двумя одинаковыми зонами проводимости располагается зона с противоположной проводимостью, например, n-p-n или p-n-p. Среднюю зону называют базой и ее назначение управлением сигнала. Зону инжекции носителей проводимости называют эмиттером, а противоположная к эмиттеру зона называется коллектором. В p-n-p транзисторе в эмиттерной зоне избыточные дырки проходят через тонкий слой базы создают дырочный ток коллектора, то есть направление обычного тока от эмиттера к коллектору. Для транзистора типа n-p-n избыточные электроны проникают через тонкую базук коллектору, в этом случае электронный ток противоположен направлению обычного тока от коллектора к базе и от базы к эмиттеру. На рис. 11 схема подключения полупроводникового триода 103 Рис Схема подключения триода К трем областям p-n-p транзистора подключены невыпрямляющие металлические электроды напряжение смещения между эмиттером и базой в прямом направлении через входное сопротивление, а между базой и коллектором в обратном направлении получаем усиленное по величине и мощности напряжение через выходное сопротивление. При изменении напряжения вцепи эмиттер-база получаем пропорциональное изменение вцепи база коллектор. Коэффициент усиления транзистора зависит от отношения выходного и входного сопротивления, то есть входного и выходного напряжения, и может достигать сотни и тысяч. Понятно, усиление мощности сигнала происходит за счет энергии источника питания цепи коллектора, при этом, ток коллектора состоит из постоянной составляющей напряжения смещения эмиттер-коллектор и переменой составляющей поданной на базу. В реальных интегральных устройствах усиление сигнала достигается путем последовательного подключения большого числа одинаковых транзисторных усилителей. |