Физика твердого тела. Лабораторный практикум. Учебное пособие

21

При этом потенциальная энергия электрона при удалении его на бесконечность в любом случае должна стремиться к нулю, что изображено на рис. 1.11 в виде пунктирной линии.

Ранее было показано, что при абсолютном нуле температуры кинетическая энергия электронов может принимать значения от нуля до энергии Ферми. Тогда электронам, находящимся на самом высоком энергетическом уровне (уровне Ферми), необходимо получить наименьшее количество энергии для того, чтобы покинуть металл. Величину этой энергии называют работой выхода Aв = eϕ =εp0 −εF , где ϕ - потенциал

выхода (рис. 1.12).

Рис. 1.12

Это определение принимают при любой температуре. Так как энергия Ферми и глубина потенциальной ямы могут зависеть от температуры, то и работа выхода зависит от температуры.

Если привести два разных металла в соприкосновение, между ними возникает разность потенциалов, которая называется контактной. Она обусловлена тем, что при соприкосновении часть электронов из одного металла переходит в другой металл. Если уровень Ферми в первом металле лежит выше, чем во втором, то электроны из этого металла перейдут на более низко лежащие свободные энергетические уровни второго металла. В результате потенциал первого металла возрастет (он приобретет положительный заряд), а второго – уменьшится (он приобретет отрицательный заряд).

22

Переход электронов из одного металла в другой будет продолжаться до тех пор, пока наивысшие занятые энергетические уровни (уровни Ферми) не выровняются. Следовательно, потенциал на поверхности первого металла будет на U12 =ϕ2 −ϕ1 меньше, чем на поверхности второго.

Рис. 1.13

Величина U12 и называется контактной разностью потенциалов. Эта величина устанавливается между точками, лежащими вне металлов, но в непосредственной близости от них. Поэтому она называется внешней контактной разностью потенциалов. Между внутренними точками металлов также возникает разность потенциалов, называемая внутренней

Величина контактной разности потенциалов для разных пар металлов принимает значение от несколько десятых вольта до несколько вольт.

1.3.6 Эффект Зеебека Это явление было открыто в 1821 году Зеебеком. Сущность эффекта

Зеебека заключается в следующем. Если соединить два проводника из разнородных металлов (полупроводников) А и В, температуру спаев этих металлов поддерживать разной, то в образовавшейся цепи возникает электрический ток. Электродвижущую силу, численно равную разности потенциалов на концах такой разомкнутой цепи, называют интегральной термо–ЭДС пары проводников А и В и обозначают VАВ. Как показывает

23

опыт, в относительно узком интервале температур она пропорциональна разности температур контактов А и В:

дифференциальной или удельной термо–ЭДС. Она зависит от природы соприкасающихся проводников и температуры.

Существует три источника возникновения термо–ЭДС:

—образование направленного потока носителей в проводнике при наличии градиента температур (объемная составляющая Vоб );

—изменение положения уровня Ферми с температурой (контактная составляющая Vк );

—увлечение электронов фононами (фононная составляющая VФ ).

24

проводника возникает градиент концентрации электронов с данным значением энергии. Это приведет к возникновению диффузии более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных − к теплому. Диффузионный поток быстрых электронов будет больше, чем поток медленных электронов. Поэтому вблизи холодного конца образуется избыток электронов, а вблизи горячего − их недостаток. Это приведет к возникновению разности потенциалов Vоб , которая и представляет собой объемную составляющую термо–ЭДС. Дифференциальная термо–ЭДС, соответствующая этой составляющей,

полупроводнике, n − их концентрация.

Наличие градиента температуры вызывает перепад давления, для уравновешивания которого в проводнике должно возникнуть поле

25

б) контактная составляющая термо–ЭДС.

Уровень Ферми зависит от температуры. В электронных проводниках с увеличением температуры уровень Ферми смещается вниз по энергетической шкале. Поэтому на холодном конце однородного электронного проводника он должен располагаться выше, чем на горячем (рис. 1.14). Наличие разности в положении уровня Ферми приводит к возникновению разности потенциалов, численно равной

Для металла зависимость уровня Ферми от температуры определяется соотношением (1.16). Дифференцируя это выражение по Т и умножая на

в) увлечение электронов фононами.

Эффект увлечения электронов фононами был открыт в 1945 году П.Э.Гуревичем и состоит в следующем. При наличии градиента температуры в проводнике возникает дрейф фононов от горячего конца к

некоторой средней скоростью vф. Существование такого дрейфа приводит

к тому, что электроны, рассеиваемые на фононах, сами начинают совершать направленное движение от горячего конца к холодному примерно с той же скоростью vф. Накопление электронов на холодном

конце проводника и обеднение электронами горячего конца вызывают появление термо–ЭДС VФ . При низких температурах эта составляющая

26

термо–ЭДС может существенно превосходить объемную и контактную составляющие.

Окончательно дифференциальную термо–ЭДС для металла можно представить в виде αМ =αОБ +αК +αФ и, пренебрегая αФ , получить

Из полученного соотношения видно: αM T , что находится в согласии с опытом. Так как kT εF , то термо–ЭДС для металлов является величиной незначительной, порядка 10-6÷10-5 В/К. Для полупроводников она может быть значительно больше, до 10-3 В/К. Основная причина различия термо–ЭДС полупроводников и металлов заключается в том, что в полупроводниках при изменении температуры изменяется не только энергия свободных носителей заряда, но и их концентрация. Кроме того, при образовании термопары из двух металлов значения их термо–ЭДС будут вычитаться, так как в обоих металлах носителями тока являются электроны. В случае контакта двух полупроводников разного типа (p- и n-) знаки термо–ЭДС у них разные и при формальном вычитании они будут складываться по абсолютной величине.

1.4 Электропроводность полупроводников

1.4.1 Дырки Существование дырок - интересная особенность зонной теории

твердых тел. Их существование следует из того факта, что суммарный импульс целиком заполненной зоны (например, валентной зоны) должен равняться нулю. Если удалить из этой зоны электрон с положительным импульсом, то суммарный импульс оставшихся электронов должен быть отрицательным. Тогда импульс дырки будет равен минус импульс удаленного электрона ph = −pe . Для электрона второй закон Ньютона

dpdte = Fe , где Fe - сила, действующая на электрон, т.е. на

27

совпадает с уравнением движения для положительного заряда. При этом из-за разных законов дисперсии (зависимости энергии от импульса) для

Рис. 1.15

валентной зоны и зоны проводимости эффективные массы электрона и дырки могут не совпадать.

В простейшей теории существование дырок объясняется следующим образом: если под действием теплового или какого-то другого возбуждения от атома отделится электрон, который становится свободным электроном, как это показано на рис. 1.15 слева, то на освободившееся место может перейти электрон от соседнего атома, как это показано на рис. 1.15 справа. При этом положительный заряд движется противоположно движению электронов (слева направо на рис. 1.15).

1.4.2 Собственные полупроводники Чистые полупроводники (без примесей) при комнатной температуре

имеют удельное электрическое сопротивление в интервале значений от 10−6 до 108 Ом*м. Эти значения лежат между проводниками ≈10−8 ÷10−6 Ом*м и диэлектриками ≈1010 ÷1020 Ом*м. Даже в полупроводниках с примесями иногда необходимо учитывать собственную проводимость, природа которой такая же, как в полупроводниках без примесей. Объяснить возникновение собственной проводимости проще всего с помощью энергетической зонной структуры полупроводника (рис. 1.16).

29

Необходимо также определить концентрацию дырок в валентной зоне. Это можно проделать аналогично проведенному выше расчету с учетом того, что функция распределения для дырок fh =1− f , где f –

это выражение носит название закона действующих масс.

В случае полупроводников без примесей (собственных полупроводников) концентрация свободных электронов равна концентрации дырок, так как каждый электрон, переходящий из валентной зоны в зону проводимости, создает в валентной зоне дырку

В случае равенства эффективных масс электрона и дырки уровень Ферми лежит в середине запрещенной зоныμ = 0.5εg .

Электропроводность в рассматриваемом случае может быть определена выражением σ = e(n μe + p μh ), где μe и μh - подвижности электронов и дырок соответственно. Так как подвижности свободных носителей зависят от температуры по степенному закону, как и в проводниках, то зависимость проводимости от температуры близка к

30

1.4.3 Примесные полупроводники Примесная проводимость в полупроводниках возникает, если атомы

данного полупроводника заменить в некоторых узлах кристаллической решетки на атомы с валентностью, отличающейся на единицу от валентности основных атомов.

На рис. 1.17 условно изображена кристаллическая решетка кремния с

внедренными в нее атомами примеси: пятивалентного фосфора или

трехвалентного бора. Для образования ковалентных связей каждому атому необходимо четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. В первом случае наличие у фосфора есть «лишний» электрон, который легко

Рис. 1.17

становится свободным. Во втором случае у бора не хватает одного электрона для образования ковалентных связей и он «забирает» его у

одного из ближайших атомов кремния, в результате чего образуется дырка.

Примесь с валентностью на единицу больше валентности основных атомов называют донорной, так как ее наличие приводит к увеличению числа свободных электронов проводимости, а примесь с валентностью на

единицу меньше валентности основных атомов называют акцепторной, и ее наличие приводит к увеличению дырок в валентной зоне (рис. 1.17).

Для образования примесных носителей заряда (например, для ионизации атома фосфора) требуется некоторая энергия, которую называют энергией ионизацией примеси в случае как донорных, так и акцепторных примесей.

Примеси искажают поле кристаллической решетки, что приводит к появлению на энергетической схеме примесных уровней, расположенных в