Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебник.pdf
Фотопроводимость возрастает с увеличением освещенности и температуры и обладает определенной спектральной характеристикой.
При внедрении кислорода электропроводность может как возрастать, так
и уменьшаться.
Все органические твердые полупроводниковые материалы делят на пять
групп: молекулярные кристаллы, молекулярные комплексы, металлоорганические комплексы, полимерные полупроводники, пигменты.
Молекулярные кристаллы представляют собой полициклические низкомолекулярные ароматические соединения. Они отличаются кристалличностью
и наличием ароматических колец с системой сопряженных двойных связей.
К молекулярным кристаллам относятся антрацен С
, нафталин С10Н8,
14Н10
фенантрен, перилен, коронен, виолантрен, изовиолантрен и фталоцианы.
Они обладают дырочной проводимостью у большинства из материалов
этого класса, энергией активации примерно 1–3 эВ, низкой подвижностью носителей заряда µ = 0,5–1,0 м
2
/(В⋅с), удельным электрическим сопротивлением ρ
от 7 до 1 015 Ом⋅см.
Молекулярные комплексы представляют собой полициклические низкомолекулярные соединения с электронным взаимодействием между молекулами
вещества. Они обладают дырочно-акцепторной проводимостью: одна молекула
способна отдать электрон, а другая — присоединить; при передаче заряда возникает ионная связь между молекулами. Электропроводность больше, чем
у молекулярных кристаллов.
По структуре молекулярные комплексы бывают однородные и слоистые
со слоями n- и p-типов.
Однородное строение имеют галогенароматические комплексы. Типичным однородным молекулярным комплексом является виолантрен-йод, в котором виолантрен обладает свойствами донора, а йод — акцептора. При увеличении концентрации йода ширина запретной зоны изменяется от 0,18 до 0,45 эВ.
Этот материал обладает дырочной проводимостью. Слоистым молекулярным
комплексом является изовиолантрен-калий. Металлоорганические комплексы
представляют собой низкомолекулярные вещества, молекула которых содержит
в центре атом металла. Такие материалы имеют энергию активации носителей
заряда более 1 эВ, относительно высокую подвижность носителей заряда (при-
мерно 10 м
2
[В⋅с]).
Основными носителями заряда являются дырки.
Металлоорганические комплексы способны к полимеризации и имеют
удельное электрическое сопротивление ρ от 10
9
до 10
13
Ом⋅см.
141
Примером металлорганических комплексов является фталецианин меди.
Полимерные полупроводники представляют собой материалы с длинными цепями сопряжения и сложным физико-химическим строением.
Пигменты представляют собой красители, обладающие полупроводниковыми свойствами. Для них характерны высокая энергия запретной зоны и низкая электропроводность.
К полимерным пигментам относят индиго, эозин, пинацианол, радофлавин, родамин, трипафлавин и др. К природным пигментам относят хлорофилл,
каротин и др.
Пигменты бывают полупроводниками электронными с проводимостью
n-типа и дырочные с проводимостью p-типа.
В качестве исходных материалов для изготовления различных приборов
применяют монокристаллические и поликристаллические органические полупроводники.
Основным критерием использования органических полупроводников является их чистота. Для очистки органических материалов используют кристаллизацию из раствора, возгонку, хроматографию из раствора или пара и зонную
очистку.
Органические полупроводники применяют для изготовления терморезисторов с высокой температурной стабильностью пьезо-элемента, резонансных
контуров в интегральных схемах, радиационных дозиметров, детекторов инфракрасного излучения, фоторезисторов, квантовых генераторов, тензодатчиков с высокой чувствительностью.
Приборы, изготовленные на основе органических полупроводников, отличаются высокой механической и климатической устойчивостью в условиях
тропического климата и при повышенных вибрационных и ударных нагрузках.
Например, радиационные дозиметры используют в атомных реакторах, терморезисторы — для контроля температурных режимов в вибрационных установках.
3.5. Электропроводность простых
и сложных полупроводников
Как уже говорилось выше, простой полупроводник — это тот полупроводник, который не содержит примесей. У таких полупроводников между валентной зоной и зоной проводимости имеется узкая запрещенная зона
(рис. 3.1а). Под действием тепловой энергии, передаваемой от окружающей
среды, электроны валентной зоны перебрасываются в зону проводимости.
142
При этом в валентной зоне образуются свободные энергетические уровни, называемые дырками. Освободившиеся энергетические уровни занимают
другие электроны валентной зоны. Внешне этот процесс воспринимается как
перемещение дырки в валентной зоне.
Под действием электрического поля в собственном полупроводнике возникает два потока направленного перемещения электрических зарядов: электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Таким образом, в собственном полупроводнике возникает два вида электропроводности: электронная и дырочная. Поскольку подвижность электронов выше, чем подвижность
дырок, то в собственном полупроводнике преобладает электронная электропроводность (хотя и слабовыраженная).
Если в полупроводнике присутствует небольшое количество примесей, то
их атомы расположены на больших расстояниях друг от друга и электрически
не взаимодействуют.
Рис. 3.1. Энергетические диаграммы собственных и
примесных полупроводников.
ΔWз — запрещенная зона энергии
Энергетические уровни примеси такие же, как и у остальных атомов примеси. Вероятность перехода электронов с одного атома примеси на другой ничтожно мала. Допустим, что энергетические уровни атомов примеси располагаются в запрещенной зоне полупроводника, ближе к его зоне проводимости
(рис. 3.1б). Электроны атомов примеси переходят в зону проводимости полупроводника и начинают перемещаться по нему. Дырки, образовавшиеся в атоме
примеси, остаются локализованными в пределах одного атома и не могут пере-
143
мещаться по кристаллу полупроводника. Таким образом, в сложном полупро-
λ
=ν=
23,1
ф
hЕ
воднике возникает электронная электропроводность. Примесь, придающая полупроводнику электронную электропроводность, называется донором, а полупроводник с электронной электропроводностью — полупроводником типа n.
Если энергетические уровни примеси располагаются ближе к валентной
зоне полупроводника, то электроны из валентной зоны переходят на свободные
энергетические уровни атомов примеси (рис. 3.1в). При этом переходе в валентной зоне образуются дырки (свободные энергетические уровни). Эти дырки
начинают блуждать по полупроводнику, обусловливая его дырочную электропроводность. Примесь, придающая полупроводнику дырочную электропроводность, называется акцептором, а полупроводник с дырочной электропроводностью — полупроводником типа p.
Таким образом, в полупроводниках типа n создается электронная электропроводность за счет электронов примеси, а в полупроводниках типа р —
дырочная электропроводность, обусловленная дырками полупроводника. Электронная электропроводность в полупроводниках типа n, и дырочная в полупроводниках типа р называется основной электропроводностью.
Но в полупроводниках типа n и типа р существует также и не основная
электропроводность, хотя и небольшая. Для полупроводников типа n — это
дырочная, а для полупроводников типа р — электронная.
3.6. Фотопроводимость полупроводников
Перевод электрона в свободное состояние или образование дырки может
осуществляться также под воздействием света. Энергия падающего на полупроводник света передается электронам. При этом энергия, передаваемая каждому электрону, зависит от частоты световых колебаний и не зависит от яркости света (силы света). С увеличением яркости света возрастает число поглощающих свет электронов, но не энергия, получаемая каждым из них. Энергия
фотона:
,
где h — постоянная Планка;
ν — частота световых колебаний;
λ — длина волны падающего света, выражаемая в микрометрах.
144
Для определенного полупроводника существует пороговая длина волны,
определяемая энергией кванта, достаточной для возбуждения и перехода электрона с самого верхнего уровня валентной зоны на самый нижний уровень зоны
проводимости, т.е. равная ширине запрещенной зоны. Поэтому, имея экспериментальную зависимость фотопроводимости полупроводника от длины волны
падающего света, можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника, экстраполировав круто падающую кривую длинноволновой области
до пересечения с осью абсцисс.
Фотопроводимость полупроводника определяется как разность удельной
электропроводности при освещении и в темноте:
σ
= σсв – σт.
ф
Темновая электропроводность:
σ
= qn
µ
т
.
.n
Электропроводность полупроводника при действии на него света:
σ = q(n + ∆n) µ
,
n
где ∆n — дополнительное число электронов, образовавшихся в полупроводнике
вследствие облучения его светом.
Таким образом, фотопроводимость:
σ
= q ∆n µ
ф
.
n
Освобожденные светом электроны находятся в зоне проводимости очень
короткое время (10
-3
–10-7 с). При отсутствии внешнего электрического поля они
хаотически перемещаются в междуатомных промежутках. Когда к кристаллу
приложена разность потенциалов, они участвуют в электропроводности. После окончания освещения образца электроны переходят на более низкие энергетические уровни — примесные или в валентную зону. При непрерывном освещении полупроводника устанавливается динамическое равновесие между образующимися дополнительными (неравновесными) носителями и уходящими
на нижние уровни, т.е. устанавливается динамическое равновесие между процессами генерации носителей заряда и их рекомбинацией.
145
С понижением температуры уменьшается темновая проводимость, слу-
Т1
Т2
—
+
a
b
Т2 > Т1
V
жащая фоном, на котором появляется фотопроводимость, поэтому значение
фотопроводимости возрастает. Увеличивается и абсолютное значение фотопроводимости, поскольку с уменьшением концентрации тепловых носителей заряда уменьшается вероятность рекомбинации фотоносителей заряда.
3.7. Термоэлектрические явления в полупроводниках
К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводниках относятся эффекты 3еебека, Пельтье и Томпсона.
Сущность явления Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников или
полупроводника и металла, возникает ЭДС, если между концами этих материалов существует разность температур (рис. 3.2). Один конец спая нагрет до температуры T
, а другой — до Т2, пусть Т2 > Т1. При этом в цепи обнаруживается
1
электродвижущая сила — термоЭДС:
ε = α(Т
– T1),
2
где α — коэффициент термоЭДС, который определяется материалами двух ветвей.
Рис. 3.2. Схема возникновения термоЭДС
в цепи из двух спаев
Рассмотрим процесс образования термоЭДС на примере однородного полупроводника, у которого один из концов нагрет больше, чем второй. Свободные носители заряда у горячего конца имеют более высокие энергии и скорости, чем у холодного. У горячего конца полупроводника свободных носителей
больше, чем у холодного. Поэтому поток свободных носителей от горячего
146
конца к холодному больше, чем от холодного к горячему. Если концентрация
свободных электронов и дырок в полупроводнике или их подвижности не одинаковы, то концы полупроводников противоположно заряжены.
В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются
электроны, поток их от горячего конца к холодному больше, чем от холодного
к горячему. В результате этого на холодном конце накапливается отрицательный заряд, на горячем остается нескомпенсированный положительный. Возникшее электрическое поле вызывает поток электронов от холодного конца
к горячему. Стационарное состояние устанавливается при равенстве этих потоков электронов. У дырочного полупроводника на холодном конце возникает
положительный заряд. Таким образом, по знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводности полупроводника.
Эффект, обратный явлению 3еебека, называют эффектом Пельтье. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников или полупроводника и металла происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.
Количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в контакте, пропорционально значению протекающего тока I:
Q
= ПIt,
п
где Q — теплота Пельтье;
t — время прохождения тока;
П — коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих материалов, температуры и направления тока.
Эффект Томпсона заключается в выделении или поглощении теплоты
при прохождении тока в однородном материале, в котором существует градиент температур. Наличие градиента температур в полупроводнике приводит
к образованию термоЭДС. Если направление внешнего электрического поля
совпадает с электрическим полем, обусловленным термоЭДС, то не вся энергия, поддерживающая ток, обеспечивается внешним источником, часть работы
совершается за счет тепловой энергии самого полупроводника, в результате чего он охлаждается.
При смене направления внешнего электрического поля оно совершает
дополнительную работу, что приводит к выделению теплоты дополнительно
к теплоте Джоуля.
147
Теплота Томпсона:
+
+
—
—
Направление
тока
Н
Е
Еx
Направление
a
b
z x y
= τ(Т2 – T1)tI,
Q
т
где τ — коэффициент Томпсона.
3.8. Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках
Гальваномагнитными эффектами в полупроводниках называются такие
явления, которые возникают при одновременном действии на полупроводник
электрического и магнитного полей.
Гальваномагнитные эффекты распределяются на поперечные и продольные. Поперечные эффекты (действие электрического и магнитного полей), данные эффекты обнаруживаются на гранях полупроводника, параллельных электрическому и магнитному полям. К поперечным относятся эффекты Холла и
Эттинсгаузена. К продольным эффектам, проявляющимися в доль образца относится изменение сопротивления образца в магнитном поле и эффект Нернста
(продольная разность температур).
Рассмотрим только эффект Холла. Если полупроводник, вдоль которого
течет электрический ток, поместить в магнитное поле, перпендикулярное
направлению тока, то в полупроводнике возникнет поперечное электрическое
поле, перпендикулярное току и магнитному полю. Это явление получило
название эффекта Холла, а возникающая поперечная ЭДС — ЭДС Холла.
+
+
+
+
+
+
—
—
—
—
—
—
ЭДС Холла
Рис. 3.3. Схема возникновения ЭДС Холла в полупроводнике
148
На рис. 3.3 изображена пластинка полупроводника n-типа. Электрическое
xn
qEBq =υ
xx
U
aE
=
nn
qnEqn
j υ
μ ==
поле Е направлено параллельно оси Z, а магнитное поле Н — вдоль оси Y.
На движущийся в магнитном поле электрон действует сила Лоренца, которая
отклоняет его в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля. В результате электроны накапливаются у одного из торцов образца. На противоположной грани создается положительный нескомпенсированный заряд,
обусловленный ионами донорной примеси. Такое накопление зарядов происходит до тех пор, пока действие возникшего в результате такого процесса электрического поля не уравновесит действующую на электрон силу Лоренца.
Условие равновесия действующей на электрон силы в скалярной форме:
, (3.1)
где υ — средняя скорость направленного движения электрона;
В — магнитная индукция в образце;
— напряженность возникшего поперечного электрического поля.
Е
х
Считая поперечное электрическое поле однородным, получим:
,
где а — ширина пластинки;
— ЭДС Холла.
U
x
Известно также, что j = σE или
, (3.2)
где j = I/(ab) — плотность тока, протекающего в образце, под действием внешнего электрического поля Е.
Используя формулу (3.1), из выражения (3.2) получаем:
Величина R
E
= jB/(qn) = Rx jB. (3.3)
x
называется коэффициентом Холла:
x
R
= l/(qn). (3.4)
x
149
ЭДС Холла в полупроводнике n-типа:
= –Rx(IB)/b. (3.5)
U
x
Знак минус отражает тот факт, что носителями заряда в данном полупроводнике являются электроны. Для полупроводников р-типа получается аналогичное выражение, только концентрация n заменена на р и направление поперечного электрического поля противоположно, т.е. ЭДС Холла положительна.
Это используется для определения типа электропроводности полупроводников.
Если выразить ток в амперах, напряженность магнитного поля в амперах,
деленных на метр, холловское напряжение в вольтах, толщину образца в сантиметрах, то коэффициент Холла (см
3
/К):
R
= – (bUx)/(IН). (3.6)
x
Таким образом, измерив разность потенциалов Холла U
при известном
x
токе I, напряженности магнитного поля Н и толщине образца b, можно рассчитать R
. Если известны коэффициент Холла Rx и электропроводность, то легко
x
вычислить концентрацию носителей заряда и значение подвижности.
Эффект Холла интересен не только как метод определения характеристик полупроводниковых материалов, но и как принцип действия целого ряда полупроводниковых приборов, нашедших техническое применение.
3.9. Электронно-дырочный переход
Принцип действия различных полупроводниковых приборов основан
на
использовании свойств, которыми обладает электронно-дырочный переход
(р-n-переход).
Электронно-дырочным переходом называется граница между областями
с дырочной и электронной электропроводностями примесных полупроводников.
На рис. 3.4 изображено устройство, состоящее из двух полупроводников
с различными видами электропроводности.
При отсутствии напряжения, U = 0, (см. рис. 3.4а) дырки из области
р диффундируют в область n, оставляя в области р нескомпенсированный отрицательный заряд. В свою очередь электроны из области n переходят в область
р, оставляя в области n некомпенсированный положительный заряд. В резуль-
тате диффузии зарядов на границе создается диффузионное электрическое поле
150