Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные физические процессы в проводниках, полупроводниках и диэлектриках. Учебное пособие
.pdf
101
находится в прямой зависимости от энергии активации примесей (ΔЭД) или ширины
l
l
d /
запрещенной зоны полупроводника (ΔЭ) на участке примесной или собственной
электропроводности соответственно.
4.3 Влияние упругой деформации на электропроводность
полупроводников
Электропроводность твердого кристаллического тела изменяется при
деформации вследствие увеличения или уменьшения (растяжение, сжатие)
междуатомных расстояний, приводящего к изменению концентрации и
подвижности носителей.
В полупроводниках концентрация носителей заряда может стать меньше или
больше вследствие изменения ширины энергетических зон кристалла и смещения
примесных уровней. Подвижность носителей заряда меняется из-за уменьшения или
увеличения амплитуды колебания атомов при их сближении или удалении.
Для большинства полупроводников основным является изменение
концентрации носителей заряда. Так как ширина запрещенной зоны может или
увеличиваться, или уменьшаться при сближении атомов, то у разных
полупроводников одна и та же деформация может вызывать как увеличение, так и
уменьшение удельной проводимости.
Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости
(или удельного сопротивления) полупроводников при определенном виде
деформации, является тензочувствительность, которая представляет собой
отношение относительного изменения удельного сопротивления полупроводника к
относительной деформации в данном направлении:
. (4.22)
102
4.4 Фотопроводимость
Э
пор
23,1
Пороговая
длина
волны
имость
Тепловой
«хвост»
Длина волны, мкм
Рисунок 4.8 – Зависимость фотопроводимости от длины волны падающего
излучения
1
2
3
4.4.1 Фотопроводимостью называют увеличение электрической проводимости
вещества под воздействием электромагнитного излучения.
Энергия фотона:
Э
= hυ =1,23/λ . (4.23)
Ф
Эта энергия затрачивается в собственном полупроводнике на образование
электронно-дырочных пар за счет перехода электронов из валентной зоны в зону
проводимости. Поэтому существует пороговая длина волны, определяемая энергией
кванта, достаточной для перемещения электрона с самого верхнего уровня
валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости, т. е. равная ширине
запрещенной зоны полупроводника.
, (4.24)
где ΔЭ – ширина запрещенной зоны полупроводника.
Так как запрещенная зона различных полупроводниковых веществ имеет
ширину от десятых долей электроновольта до 3 эВ, то фотопроводимость может
обнаруживаться в инфракрасной, видимой, или ультрафиолетовой части
электромагнитного спектра.
На рисунке 4.8 представлена зависимость фотопроводимости от длины волны.
103
Фотопроводимость при длинах волн меньше пороговой (участок 2
рисунка 4.8) объясняется возбуждением электронов с более низких уровней
валентной зоны на более высокие уровни зоны проводимости.
На кривой (участок 1 рисунка 4.8) виден «хвост», тянущийся дальше
пороговой длины волны. Наличие его (т. е. небольшой фотопроводимости),
вызываемое квантами света с длиной волны, несколько большей пороговой
(энергией меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника), можно объяснить
двумя физическими явлениями.
1 Отдельные электроны могут оказаться под суммарным воздействием
энергии фотонов и энергии тепловых колебаний кристаллической решетки. Тогда
эти электроны перейдут в возбужденное состояние.
2 Ширина запрещенной зоны не является абсолютно постоянной, она
подвержена флуктуациям. Фотон с энергией hν < ΔЭ, поглощенный в том месте
объема кристалла, где мгновенная величина ширины запрещенной зоны меньше
средней, возбуждает пару электрон – дырка.
Таким образом, «хвост» кривой на рисунке 4.8 имеет тепловую природу,
величина его порядка kT.
Как видно из рисунка 4.8, в области малых длин волн (участок 3) наблюдается
спад фотопроводимости полупроводника. Это объясняется уменьшением глубины
проникновения электромагнитной волны. Поглощение происходит в тонком
поверхностном слое полупроводника, где и образуется основное количество
носителей заряда. Появление большого количества избыточных носителей заряда
только у поверхности не влияет на проводимости всего объема полупроводника,
потому что скорость поверхностной рекомбинации больше, чем объемной, и потому
что проникающие внутрь неосновные носители заряда увеличивают скорость
рекомбинации в объеме полупроводника.
Влияние температуры на фотопроводимость. С понижением температуры
уменьшается темновая проводимость, служащая фоном, на котором появляется
фотопроводимость, а поэтому роль последней возрастает. Кроме того, с понижением
температуры увеличивается и абсолютное значение фотопроводимости, так как с
104
уменьшением концентрации темновых носителей заряда снижается вероятность
х
Рисунок 4.9 – Разрешенные (сплошные стрелки) и запрещенные
(пунктирные стрелки) переходы электронов при прямой рекомбинации
рекомбинации носителей. Температура влияет и на пороговую длину волны, причем
у одних полупроводников она смещается при понижении температуры вправо, у
других – влево. Это объясняется тем, что с понижением температуры ширина
запрещенной зоны у одних полупроводников уменьшается, у других –
увеличивается.
4.4.2 Релаксация фотопроводимости. Изменение электрических свойств
полупроводников под влиянием электромагнитного излучения носит временный
характер. После прекращения облучения проводимость более или менее быстро
возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. У одних
полупроводников это длится микросекунды, у других измеряется минутами и даже
часами. По быстроте возрастания или затухания фотопроводимости можно
определить время жизни τ
неравновесных носителей заряда в полупроводниках.
о
Релаксация фотопроводимости происходит в результате процессов рекомбинации.
Прямая рекомбинация. Рекомбинацию в самом простом виде можно
представить на энергетической диаграмме рисунка 4.9, как переход электрона из
зоны проводимости в валентную зону на имеющийся там свободный уровень. Такой
процесс называют непосредственной или прямой рекомбинацией.
Разность энергий при этом выделяется в виде кванта электромагнитного
105
излучения либо передается кристаллической решетке в виде механических
колебаний. Однако такой процесс прямой рекомбинации маловероятен. Условия
прямой рекомбинации:1) электрон и дырка должны оказаться одновременно в одном
и том же месте кристалла, 2) должен выполняться закон сохранения импульса, т. е.
рекомбинация электрона и дырки может произойти только в том случае, если
электрон и дырка находятся на уровнях симметрично расположенных относительно
середины запрещенной зоны. Поэтому на 10 тыс. рекомбинаций лишь одна
происходит в результате прямой рекомбинации.
Рекомбинация с участием ловушек. Другой возможный путь рекомбинации
схематически показан на рисунок 4.10 а и б. Этот процесс непрямой рекомбинации
происходит через энергетические уровни, называемые ловушками.
Рекомбинационными ловушками являются донорные или акцепторные
уровни, достаточно далеко расположенные от краев запрещенной зоны. На первом
этапе (1) электрон захватывается незанятым уровнем ловушки (рисунок 4.10, а).
Таким образом, электрон выбывает из процесса электропроводности, а ловушка
становится отрицательным ионом. В этом состоянии ловушка будет находиться до
тех пор, пока к ней не подойдет дырка. Тогда произойдет второй этап (2)
рекомбинации – электрон перейдет на свободный уровень в валентной зоне.
Аналогично может происходить и рекомбинация дырки через ловушку,
имеющую в исходном состоянии лишний электрон (рисунок 4.10, б). Тогда на
первом этапе (1) происходит переход электрона с уровня ловушки на свободный
уровень валентной зоны, а на второй (2) переход электрона из зоны проводимости
на уровень ловушки.
Ловушка захвата. Кроме рекомбинационных ловушек, в запрещенной зоне
полупроводника существуют уровни, которые могут захватывать только один тип
носителей. Такие уровни называют ловушками захвата. Носитель заряда,
находящийся на таком уровне, через некоторое время освобождается и снова
участвует в электропроводности. Этот процесс может повторяться. Ловушки захвата
обычно расположены вблизи границ запрещенной зоны (рисунок 4.10).
106
а б
Рисунок 4.10 – Схемы расположения уровней ловушек захвата ЛЗ и
рекомбинационных ловушек РЛ в полупроводниках p – типа (а) и n – типа
(б) электропроводности
γ
Т
2
> Т1
Т
Т
1
I
II
E
Е
кр
Рисунок 4.11 – Зависимость удельной проводимости полупроводника от
напряженности электрического поля при различных температурах
4.5 Электропроводность полупроводников в сильном электрическом поле
Сильными электрическими полями называют такие, в которых удельная
проводимость зависит от напряженности поля, т. е. не соблюдается закон Ома.
Напряженность поля, которую можно условно принять за границу между областью
слабых I и сильных II полей, называют критической Екр (рисунок 4.11). Эта граница
не является резкой и определенной и зависит от природы полупроводника,
концентрации примесей и температуры окружающей среды.
107
Влияние сильных полей сказывается на подвижности и концентрации
носителей заряда в объеме полупроводника.
4.5.1 Влияние напряженности поля на подвижность носителей заряда.
Напомним, что подвижность носителей заряда – это отношение средней дрейфовой
скорости vср к напряженности электрического поля Е. Скорость носителей заряда –
величина векторная и в электрическом поле может изменяться как ее абсолютное
значение, так и направление. В области слабых полей, когда справедлив закон Ома,
влияние поля в основном сводится к изменению только направления скоростей
носителей заряда. С увеличением напряженности приращение абсолютного
значения скорости, получаемое на длине свободного пробега носителей, станет
сравнимо с начальной величиной тепловой скорости.
Влияние сильного поля на изменение подвижности зависит от механизма
рассеяния.
– Если рассеяние происходит на тепловых колебаниях узлов кристаллической
решетки, длина свободного пробега lср не зависит от vср и μ
~ Е
-1/2
.
– Если рассеяние носителей происходит на ионизированных примесях и 1ср ~
v
ср
4
, то μ
~ Е
3/2
.
Следовательно, в области сильных полей подвижность носителей заряда
может, как убывать, так и возрастать с увеличением напряженности электрического
поля Е.
4.5.2 Влияние напряженности поля на концентрацию носителей заряда. При
напряженности электрического поля 10
6
—107 В/м в полупроводнике начинают
появляться избыточные носители заряда и удельная проводимость его возрастает.
Различают несколько механизмов увеличения концентрации носителей.
– Термоэлектронная ионизация. В кристаллической решетке между атомами
существуют потенциальные барьеры. Под действием сильного поля несколько
уменьшается высота потенциального барьера для электронов в направлении,
противоположном направлению поля. Если рассматриваемый барьер относится к
примесному атому, например к донорному, то уменьшение энергии ионизации
приведет к увеличению концентрации электронов в зоне проводимости.
108
– Ударная ионизация в полупроводнике напоминает аналогичный процесс,
происходящий в газах. Этот механизм вступает в действие при сильных полях.
Электрон, ускоряющийся полем на длине свободного пробега, может накопить
энергию, достаточную для генерации электронов сначала с примесных уровней, а
затем и с уровней валентной зоны. Условие увеличения концентрации: кинетическая
энергия первого электрона настолько велика, что после акта возбуждения второго
электрона первый сохранит энергию, не меньше «дна» зоны проводимости.
– Туннельный эффект называют иногда внутренней холодной эмиссией. Это
явление до некоторой степени аналогично холодной эмиссии из металлов. Сущность
его состоит в том, что достаточно сильные электрические поля могут вызвать
прямые электронные переходы между зоной проводимости и валентной зоной. Для
этого требуются поля более 10
7
В/м. Условия для развития механизмов увеличения
числа носителей заряда чаще всего создаются в тонких слоях полупроводников с
повышенным сопротивлением.
Из изложенного ясно, что зависимость проводимости полупроводников
вследствие влияния напряженности электрического поля как на подвижность, так и
на концентрацию носителей заряда в области сильных полей может быть сложной.
4.6 Контактные явления в полупроводниках
Пусть одна область полупроводника содержит акцепторные, а другая
донорные примеси. На границе раздела происходит изменение концентрации
примесей. При небольшой энергии активации примеси в полупроводнике при
нормальной, температуре почти полностью ионизированы и концентрации
носителей заряда вдали от границы раздела равны концентрациям примесей. Между
областями полупроводника с электропроводностью р- и п-типов находится
электронно-дырочный переход, или р-п-переход.
4.6.1 Электронно-дырочный переход в условиях равновесия. Рассмотрим две
отдельно взятые области дырочного и электронного полупроводников
(рисунок 4.12). Допустим теперь, что эти области получены в одном
109
полупроводниковом кристалле. Так как в р-области большая концентрация дырок, а
.ln
2
i
к
n
np
e
kT
Рисунок 4.12 – Зонная диаграмма электронно-дырочного перехода в условиях
равновесия
в n-области – электронов, то возникнут большие градиенты концентрации носителей
и потекут диффузионные дырочный и электронный токи. После ухода основных
носителей в приграничных областях полупроводника остаются
нескомпенсированные ионы примесей, в n-области положительно заряженные и в
p-области отрицательно заряженные. В результате образуются области
пространственного заряда ОПЗ. Наличие этих зарядов обусловливает появление
диффузионного электрического поля, которое препятствует дальнейшему переходу
носителей. В полупроводнике образуется запирающий слой, ширина которого
составляет порядка 0,1 мкм. Контактная разность потенциалов на границе
p-n-пререхода:
(4.25)
4.6.2 Прямое смещение электронно-дырочного перехода. Пусть к р-области
присоединен положительный полюс источника питания, а к п-области –
отрицательный (рисунок 4.13). Такое внешнее поле оказывается направленным
110
противоположно диффузионному полю Е
Рисунок 4.13 – Зонная диаграмма электронно-дырочного перехода (прямое
смещение)
. Следовательно, высота потенциального
диф
барьера понизится по сравнению с определяемой по формуле (4.25). При этом
основные носители в п- и р-областях получат возможность преодолеть
потенциальный барьер и перейти в области, где они оказываются неосновными.
Через p-n-пререход потечет ток, обусловленный переносом основных носителей
заряда. Напряжение такой полярности называют «прямым», р-п-переход при данной
полярности приложенного напряжения будет «открыт», и через него потечет
большой по величине «прямой ток». Явление переноса основных носителей заряда
под действием прямого напряжения на p-n-переходе называется «инжекцией».
4.6.3 Обратное смещение электронно-дырочного перехода. Если включить
внешний источник напряжения, так что р-область окажется соединенной с
отрицательным полюсом его, а п-область – положительным, то внешнее
электрическое поле будет направлено так же, как и диффузионное, а потенциальный
барьер повысится. В результате основные носители заряда не его смогут преодолеть.
Неосновные носители заряда будут вытягиваться полем потенциального барьера
(рисунок 4.14). Через p-n-пререход потечет «обратный» ток, обусловленный
переносом неосновных носителей заряда. Так как количество неосновных носителей
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]