7.4.4. Эффект Зинера

Наблюдается в очень сильных полях, больших 10⁹ В/м. Увеличение концентрации носителей в этом случае осуществляется за счёт туннельного перехода из валентной зоны в зону проводимости. У полупроводника, помещённого в электрическое поле, наблюдается наклон энергетических зон, причём тем больший, чем выше напряжённость поля.

Переход А-Б через запрешённую зону осуществляется за счёт туннельного эффекта.

Тема 8: Диэлектрики

8.1. Основные механизмы проводимости в диэлектриках.

К диэлектрикам относятся ТТ, у которых запрещённая зона . Поэтому при температуре <= комнатной, переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости практически отсутствует, т.е. собственной проводимости нет. Проводимость проявляется только при наличии примесных атомов за счёт термической активации примесных уровней. Т.е. при проводимость в диэлектриках – примесная. Если примесь имеет донорный характер, то основные носители – электроны, а не основные – дырки.

Такой диэлектрик называется электронным или диэлектриком n-типа. Если примесь акцепторная, то диэлектрик называется дырочным, или диэлектриком р-типа.

Рассмотрим основные механизмы проводимости в диэлектриках:

1. При приложении к диэлектрику электрического поля свободные носители ускоряются, и возникает электропроводность. Такой механизм называется электронным. Очевидно, что в случае низкой концентрации электронов и дырок, электропроводность диэлектрика незначительна. Дл различных веществ она колеблется в интервалах от 10^-10..10^-2 Ом^-1с^-1. Температурная зависимость электропроводности в диэлектриках описывается:

2. В диэлектриках подвижность электронов и дырок – мала. Она в сотни раз ниже, чем в полупроводниках. Такие низкие значения подвижности связаны с тем, что электроны находятся в этих веществах в связанном состоянии, образуя квазичастицы – поляроны. Таким образом, в диэлектриках существует второй механизм переноса заряда – поляронный. Поляронная проводимость возникает в том случае, когда электроны или дырки сильно связаны с кристаллической решёткой.

Νβ: при низкой концентрации свободных носителей заряда в диэлектрике может существовать электрическое поле, приводящее к смещению связанных зарядов (поляризация). В ряде случаев электроны проводимости поляризуют своим полем окружающую область диэлектрика, и локализуется в ней. Эта область искажённой решётки вместе с находящемся в ней электроном (или дыркой), вызвавшем искажение, называется поляроном.

Под действием электрического поля электрон перемещается вместе с поляризованной областью, т.е. имеет место движение полярона. Поляронная проводимость характерна для ионных кристаллов, где кулонное взаимодействие между электронами и ионами решётки велико. Поскольку в этом случае электроны проводимости оказываются в связанном состоянии, их эффективная масса в тысячи раз больше значения эффективных масс, характерных для металлов и полупроводников. Соответственно подвижность носителей в диэлектриках в тысячи раз меньше подвижности в металлах и полупроводниках.

В зависимости от силы электрон-фононного взаимодействия могут образовываться поляроны большого радиуса (ПБР), или поляроны малого радиуса (ПМР).

Если область искажения вокруг электрона значительно больше параметра элементарной ячейки a, то говорят о ПБР.

Νβ: ПБР образуется, когда электрон-фононное взаимодействие слабое.

Искажения решётки при этом не велики, и условия перемещения электронов или дырок не сильно отличаются от условий движения свободных носителей. Однако при движении электрона вместе с ним движется и вся искажённая область. Это приводит к значительному (в десятки раз) уменьшению подвижности, по сравнению с полупроводниками.

Если область искажения соизмерима с параметром a, то говорят о поляроне малого радиуса.

Νβ: ПМР образуется при сильном электрон-фононном взаимодействии. Из-за этого ПМР очень стабилен. За счёт тепловых флуктуаций он перемещается в кристалле прыжками из одного положения равновесия в другое.

Если к диэлектрику приложено электрическое поле, то прыжки ПМР становятся направленными.

3. В некоторых диэлектриках основной является ионная проводимость. В этом случае ток переносится положительно или отрицательно заряженными ионами (катионами или анионами). При этом в постоянном электрическом поле осуществляется не только перенос заряда, но и перенос вещества. Анионы движутся аноду, а катионы – к катоду. Так как концентрация носителей заряда в объёме диэлектрика постепенно уменьшается, значение ионного тока зависит от времени.

В твёрдых диэлектриках ионный ток переносится слабосвязанными ионами. Пусть концентрация таких ионов - n₀. Перемещение иона из одного положения равновесия в другое может произойти только тогда, когда будут преодолены силы, связывающие его с соседними частицами. То есть ион должен преодолеть энергетический барьер . Вероятность такого перехода при тепловом хаотическом движении W ~ .

Если к диэлектрику приложить тепловое электрическое поле, то появится некоторое количество электронов, преодолевающее барьеры. Они и обуславливают ионную проводимость. Часто при низких температурах ионная проводимость обусловлена примесями, а при высоких – связана с перемещением основных ионов вещества.

4. Существует особый класс твёрдых тел, обладающих высокой ионной проводимостью (до 1 Ом^-1с^-1). Такие вещества называются суперионными проводниками. Их проводимость близка к проводимости расплавов и концентрированных растворов электролитов. Поэтому суперионные проводники называют так же твёрдыми электролитами. Аномально высокая ионная проводимость появляется при некоторой температуре Т_крит, характерной для любого вещества.

Nβ: такое увеличение проводимости обусловлено плавлением (т.е. разупорядочиванием) подрешётки, образованной одним из сортов ионов. Другая подрешётка, т.е. объёмная структура, образованная другим сортом ионов, сохраняет при этом жёсткость и обеспечивает механическую прочность кристалла.

Таким образом, суперионные кристаллы могут находиться в двух фазах:

1. Диэлектрическая фаза при – ведут себя как обычные ионные кристаллы.

2. Электролитическая фаза при – переходят в особое суперионное состояние.