Добавлен: 06.11.2023
Просмотров: 129
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Аналогично полупроводник n-типа характеризуется концентрацией доноров Nд, основных nn0 и неосновных pn0 носителей. В нем также есть положительный и отрицательный объемные заряды, которые компенсируют друг друга:
Для определенности будем полагать, что Nд >> Nа. Это означает, что слой n − низкоомный, а слой р − высокоомный. Поскольку концентрация электронов в n-слое значительно превышает их концентрацию в р-слое, часть электронов диффундирует из слоя n в слой р. Это приведет к тому, что в n-слое возникают нескомпенсированные положительные заряды ионов доноров. С другой стороны, в р-слое вблизи границы окажутся избыточные электроны, которые будут рекомбинировать с дырками. Следовательно, в этой области уменьшится концентрация подвижных носителей и возникнут также нескомпенсированные отрицательные заряды акцепторов.
Необходимо отметить, что дырки будут диффундировать из р-слоя в n-слой и это также приведет к некоторому снижению концентрации подвижных носителей в областях, прилегающих к границе раздела, и образованию дополнительных нескомпенсированных пространственных зарядов.
Однако в несимметричном переходе диффузия из высокоомного слоя малосущественна, поскольку градиенты концентраций и диффузионные потоки определяются разностями np0 − nn0 и pn0 − pp0. В рассматриваемом случае очевидно, что (nn0 – np0) >> (pp0 – pn0). Таким образом, в результате диффузии носителей в некоторых областях по обе стороны границы раздела образуются пространственные нескомпенсированные заряды ионов примеси. Эта область шириной l0 и есть р-n переход.
Поскольку область перехода обеднена основными носителями заряда, то она будет обладать гораздо большим сопротивлением, чем электронейтральные р- и n-слои. Поэтому часто р-n переход называют обедненным или истощенным слоем. Если предположить, что в р-n переходе нет подвижных носителей заряда, то сопротивление его окажется бесконечно большим. Такие переходы называют идеальными.
Рассмотрим зонную диаграмму перехода. Для удобства перейдем от энергии (в электрон-вольтах) к потенциалу (в вольтах). Чтобы перейти от одной размерности к другой, достаточно поделить соответствующие значения энергии на величину элементарного заряда q. В отсутствие контакта р- и n-области характеризуются диаграммой, приведенной на рис. 1, а. Здесь φV − потенциал потолка валентной зоны, φC − потенциал дна зоны проводимости, φД, φА, φF, φi − соответственно потенциалы доноров, акцепторов, Ферми и электростатический потенциал.
Обозначим
Рис. 1. Зонные диаграммы полупроводников р- и n-типов (а), образование потенциального барьера (б)
При наличии контакта уровни Ферми в смежных слоях должны быть едиными, поэтому происходит искривление зон, что приводит к различию электростатистических потенциалов и образованию потенциального барьера (см. рис. 1, б). Высота барьера
Потенциальный барьер создает различные условия для перехода носителей в смежные слои. Электрон из слоя n может перейти в слой р только в том случае, если он обладает достаточной энергией для преодоления «ступени» высотой ∆φ0, т.е. если он сможет преодолеть силы электрического поля, выталкивающие его из перехода обратно в n-слой. Переход же электронов из слоя р в слой n совершается беспрепятственно, более того, электрическое поле, действующее в переходе, помогает им (электроны как бы «скатываются» из р слоя). В состоянии равновесия эти потоки носителей взаимно уравновешивают друг друга. Аналогичная ситуация складывается в валентной зоне.
Дырки, чтобы перейти из слоя р в слой n, должны «опуститься» на глубину ∆φ0. Движение дырок вызвано противоположным перемещением электронов, т.е. дырки также должны обладать соответствующей энергией, чтобы преодолеть барьер высотой ∆φ0 при переходе из слоя р в слой n. Иными словами, дырки, переходящие из слоя р в слой n, должны обладать энергией большей, чем энергия действующего в переходе электрического поля. Обратное же движение дырок (из слоя n в слой р) совершается беспрепятственно. Таким образом, в равновесном состоянии в переходе протекают четыре составляющие тока (см. рис. .1, б). Две из них протекают в зоне проводимости: дрейфовый поток электронов (направленный из слоя р в слой n) и уравновешивающий его диффузионный поток электронов (направленный из слоя n в слой р).
Две другие протекают в валентной зоне: дрейфовый поток дырок (направленный из слоя n в слой р) и уравновешивающий его диффузионный поток дырок (направленный из слоя р в слой n). Поэтому плотность тока, протекающего через переход в состоянии равновесия, равна нулю:
2.2. Работа выхода электрона
Влияние на работу выхода состояния поверхности
То обстоятельство, что электроны удерживаются внутри твердого тела, указывает на то, что в поверхностном слое тела возникает задерживающее поле, препятствующее электронам выходить из него в окружающий вакуум. Схематическое изображение потенциального барьера на границе твердого тела дано на рис. 2. Чтобы покинуть кристалл, электрон должен совершить работу, равную работе выхода. Различают термодинамическую и внешнюю работы выхода.
Термодинамической работой выхода называют разницу между энергией нулевого уровня вакуума и энергией Ферми твердого тела.
Внешняя работа выхода (или электронное сродство) – это разность между энергией нулевого уровня вакуума и энергией дна зоны проводимости (рис. 2).
Рис. 2. Форма кристаллического потенциала U вдоль линии расположения ионов в кристалле и в приповерхностной области кристалла: положения ионов отмечены точками на горизонтальной линии; φ=-U/е – потенциал работы выхода; ЕF – энергия Ферми (отрицательная); ЕC – энергия дна зоны проводимости; WO – термодинамическая работа выхода; Wa – внешняя работа выхода; заштрихованная область условно изображает заполненные электронные состояния
Можно указать две основные причины возникновения потенциального барьера на границе твердого тела и вакуума. Одна из них связана с тем, что электрон, вылетевший из кристалла, индуцирует на его поверхности положительный электрический заряд. Возникает сила притяжения между электроном и поверхностью кристалла, стремящаяся вернуть электрон обратно в кристалл. Другая причина связана с тем, что электроны за счет теплового движения могут пересекать поверхность металла и удаляться от него на небольшие расстояния (порядка атомных).
Они образуют над поверхностью отрицательно заряженный слой. На поверхности кристалла в этом случае после выхода электронов формируется положительно заряженный слой ионов. В результате образуется двойной электрический слой. Он не создает поля во внешнем пространстве, зато на преодоление электрического поля внутри самого двойного слоя также требуется произвести работу.
Значение работы выхода для большинства металлов и полупроводников составляет несколько электрон-вольт. Например, для лития работа выхода равна 2,38 эВ, железа – 4,31 эВ, германия – 4,76 эВ, кремния – 4,8 эВ. В значительной степени величина работы выхода определяется кристаллографической ориентацией грани монокристалла, с которой происходит эмиссия электронов.
Для (110)-плоскости вольфрама работа выхода составляет 5,3 эВ, для (111) и (100)-плоскостей эти значения равны соответственно 4,4 эВ и 4,6 эВ.
 Рис. 3. Энергетическая диаграмма для электронов металла и для валентного электрона в атоме |
Большое влияние на работу выхода оказывают тонкие слои, нанесенные на поверхность кристалла. Атомы или молекулы, осевшие на поверхность кристалла, часто отдают электрон в него или принимают электрон от него и становятся ионами. На рис. 3 показана энергетическая диаграмма металла и изолированного атома для случая, когда термодинамическая работа выхода электрона из металла W0 больше, чем энергия ионизации Еион осаждающегося на его поверхность атома, В этой ситуации электрону атома энергетически выгодно протуннелировать в металл и опуститься в нем к уровню Ферми.
Поверхность металла, покрытая такими атомами, заряжается отрицательно и образует с положительными ионами двойной электрический слой, поле которого будет уменьшать работу выхода из металла. Здесь реализуется ситуация, рассмотренная выше, так как энергия Еион цезия (3,9 эВ) меньше работы выхода вольфрама (4,5 эВ). В экспериментах работа выхода уменьшается более чем в три раза. Противоположная ситуация наблюдается, если вольфрам покрыт атомами кислорода.
Поскольку связь валентных электронов в кислороде сильнее, чем в вольфраме, то при адсорбции кислорода на поверхности вольфрама образуется двойной электрический слой, увеличивающий работу выхода из металла. Наиболее часто реализуется случай, когда осевший на поверхность атом не отдает полностью свой электрон металлу или принимает в себя лишний электрон, а деформирует свою электронную оболочку так, что адсорбированные на поверхности атомы поляризуются и становятся электрическими диполями. В зависимости от ориентации диполей работа выхода металла уменьшается или увеличивается.
3.2. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Прохождение частиц сквозь потенциальный барьер нашло экспериментальное подтверждение в явлении автоэлектронной эмиссии электронов из металла. Вырывание электронов происходит при напряженностях электрического поля, в сотни раз меньших, чем те которые необходимы для того, чтобы электрон преодолел поверхностную разность потенциалов на границе металл-вакуум и покинул металл.
4.2. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гапонов В.И. Электроника, ч.1, 2.М.: 1960.
2. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. Наука. М.:1966.
3. Жеребцов И.И. Электроника. Энергоатомиздат. М.: 1990.
4. Царев Б.М. Расчет и конструирование электронных ламп. Энергия. 1967.
5. Электроника : Энцикл. словарь/ Гл. ред. В.Г.Колесников. М. : Сов. энцикл., 1991. 688с.