Термическая ионизация. Соединим два кристалла, являющихся вырожденными полупроводниками n и p - типов

Процессы p-n - перехода

Соединим два кристалла, являющихся вырожденными полупроводниками n и p - типов. На границе образуется p-n- переход. В материале n-типа имеются подвижные отрицательные заряды (электроны проводимости); в материале p-типа имеются подвижные положительные заряды - дырки. При соприкосновении веществ начнется движение зарядов, вызванное разностью их концентраций. Электроны устремятся в p - полупроводник, а дырки - в n -полупроводник. При этом величины W_F двух веществ будут выравниваться, а полупроводники будут заряжаться. Наконец, при некотором установившемся значении потенциального барьера наступит равновесие: электрическое поле перешедших зарядов уравновешивает градиенты концентрации зарядов. Условием этого равновесия является смещение уровней Ферми в n - и p - областях перехода.

Когда электрон из зоны проводимости рекомбинирует с дыркой из валентной зоны, получается квант света с энергией, равной разности энергий двух этих состояний. Спонтанное излучение, которое называется рекомбинационным свечением, используется в устройстве, называемом светодиодом. Применяются в устройствах индикации. Рассчитаны диоды на низкое напряжение, поэтому очень экономичны (напряжение смешения 1,4 В). Полярность на p-n -переходе: плюс – на p-типе, минус - на n-типе.

Для создания условий вынужденного излучения необходима инверсия населенности в области перехода: электронов проводимости в зоне проводимости больше, чем дырок в валентной зоне. Для этого достаточно приложить к щам полупроводника напряжение. Разряд тока через p-n переход инжектирует в область перехода большое количество носителей (электронов, так как в розетке дырок нет). Чем больше приложенное напряжение, тем больше инверсия.

Для создания оптической обратной связи используется резонатор, зеркалами которого служат естественные сколотые грани кристалла (отражение до 30%).

Итак, для того, чтобы заставить светодиод генерировать когерентное излучение, достаточно увеличить ток для создания инверсии населенностей и сколоть параллельные противоположные грани кристалла для создания оптической связи.

Энергия электрического поля передается заряженным частицам. Если Е - напряженность поля дуги; j - плотность тока дуги, то за 1с в 1 м³ столба электронам и ионам передается энергия jЕ. Электроны забирают у поля энергии значительно больше, чем ионы, поскольку более подвижны, а затем передают ее атомам и ионам при соударениях (упругих и неупругих). Можно записать

jЕ = w_упр + w_неупр.

Упругое соударение электрона с атомом вызывает возмущение электронной оболочки последнего. Изменяется кинетическая энергия (направление и скорость движения). Потенциальная энергия атомов при упругом соударении не изменяется (столкновение идеально упругих шаров).

При неупругом соударении атому передается большая энергия (сразу несколько эВ) в виде энергии диссоциации, возбуждения или ионизации. При этом изменяется (увеличивается) потенциальная энергия атома. В табл. 2.1 приведены значение энергии диссоциации для некоторых газов.

Таблица 1

Затем запасенная в возбужденных атомах энергия выделяется в виде излучения плазмы (рекомбинация).

Термическая ионизация - неупругое соударение частиц при высокой температуре и плотности газа. Наиболее вероятная схема электронного удара: е_6ыстр + А⁰ ® A⁺ + 2е_медл. После неупругого соударения быстрого электрона и нейтрального атома образуется ион и два электрона с малыми скоростями.