3.12. Проводимость в сильных электрических полях.
Проводимость полупроводников до некоторых критических значений напряжённости электрического поля порядка 106 В/м остаётся постоянной, а затем быстро нарастает за счёт следующих процессов:
нарушается периодичность электрического поля кристаллической решётки, и, следовательно, локально изменяется ширина запрещённой зоны;
возникает ударная ионизация атомов носителями зарядов, разогнанными до больших скоростей;
при напряженностях порядка 106 В/м электроны в силу квантово-механических свойств просачиваются через узкую запрещённую зону, не изменяя своей энергии, – туннельный эффект (открыт в 1963г.). Туннельный эффект особенно значим в тонких плёнках. Он используется, в частности, в туннельных диодах.
Критическое значение напряжённости зависит от температуры полупроводника.
Эффект Ганна, открытый в 1963г., состоит в том, что в сильных электрических полях Е > Екр. свободные электроны монокристаллического полупроводника объединяются в пакеты, движущиеся с разными скоростями. Следовательно, возникают электрические домены, которые перемещаясь под действием постоянного электрического поля, создают переменный электрический ток. Высокочастотные генераторы электрических колебаний на этой основе имеют высокую стабильность частоты. Частота колебаний зависит от размеров полупроводника и имеет порядок 109 – 1010 Гц .
3.13. Пьезоэлектрические эффекты.
Пьезоэлектрические эффекты открыты в 1880г. в диэлектрическом материале ―
монокристалле кварца. Примерно 1970г. эти эффекты обнаружены в тонких полупроводниковых монокристаллических плёнках сложного состава. Прямой эффект состоит в том, что при действии силы на монокристалл на его гранях появляется разность потенциалов, обратный эффект ― в изменении размеров монокристалла при приложении к его граням разности потенциалов.
В тонких монокристаллических плёнках локальное перемещение атомов кристаллической решётки сопровождается возникновением локальной разности потенциалов. Распространение этих процессов связано с поверхностными и объёмными акустическими волнами, используемыми в приборах акустоэлектроники. Примерами полупроводников, обладающих пьезоэффектом, являются CdS, GaAs, ZnO.
3.14. Оптические и фотоэлектрические эффекты.
Оптические эффекты возникают в полупроводниках при взаимодействии электромагнитных излучений оптического диапазона (инфракрасные волны, видимый свет, ультрафиолетовые волны) с электронами вещества.
Под фотоэлектрическими эффектами понимается изменение электрических свойств вещества, вызванные энергетическими воздействиями электромагнитного, рентгеновского и др. излучений.
При облучении полупроводников
электромагнитным полем с энергией
фотонов
( h― постоянная Планка)
происходит: поглощение энергии веществом,
пропускание, преломление, отражение
электромагнитных волн.
Поглощение энергии фотонов полупроводником
приводит к ионизации атомов. В зависимости
от величины энергии фотона Wф
f происходит ионизация
собственных атомов полупроводника
(поглощение высокочастотных колебаний
видимого и ближнего инфракрасного
излучения) или атомов примеси (поглощение
низкочастотных колебаний дальней
инфракрасной части спектра). Ионизация
сопровождается переходом электронов
в зону проводимости материала ― эффект
фотопроводимости.
Рис.3.13. Зависимость ∆γ= f (f) при ионизации фоторезистивных материалов.
На рис. 3.13
показано приращение проводимости
в зависимости от частоты электромагнитных
колебаний (n – примесная,
с ― собственная проводимость). Этот
эффект используется в фоторезисторах.
При облучении p –n
– перехода электромагнитными колебаниями
может происходить генерация
электронно-дырочных пар, появление
зарядов на границе раздела и возникновение
фотоЭДС. Этот фотогальванический
эффект используется для создания
фотоэлементов и источников питания
слаботочных цепей.
При возбуждении атомов полупроводника происходит генерация и рекомбинация электронно-дырочных пар. При рекомбинации электроны переходят на более низкие энергетические уровни с выделением энергии, которая передаётся кристаллической решётке и излучается. Эффект излучения используется для создания различных источников световых излучений:
– лазеров, мазеров, светодиодов;
– люминесцентного свечения ;
– элементов оптоэлектронных устройств.
Такими свойствами обладают GaAs, InSb, SiC и др.
Лазер ― это оптический квантовый генератор преобразующий различные виды энергии в энергию интенсивных узконаправленных пучков электромагнитного излучения оптического диапазона.
Оптоэлектроника ―. раздел электроники, в котором используются эффекты взаимодействия электромагнитного излучения оптического диапазона частот с электронами полупроводника для передачи, хранения, обработки и отображения информации. Электромагнитная волна как носитель информации характеризуется частотой, амплитудой, плоскостью поляризации, направлением распространения.
Люминесценцией называют нетепловое излучение полупроводников длительностью превышающей период световых колебаний. Люминесценция это особый вид свечения, который может вызываться различными энергетическими воздействиями. Вещества, способные люминесцировать называются люминофорами.
Люминесценция применяется для:
1.преобразования невидимого излучения в видимый свет (лампы дневного света),
2. электронно-лучевых трубок,
3. электронных микроскопов,
4.оптоэлектроники,
5. светящихся красок.