МЭТ-2

см2

Рассеение на ионах примеси

М, вс

Напряженность поля, при котором становится заметным изменение μ и, следовательно, нарушается закон Ома, называется критической (Eкр). У полу-

проводников с большой μ заметное изменение Va6c и l с ростом поля проявляется раньше, чем у полупроводников с малой подвижностью. Следователь-

но, Eкр будет тем меньше, чем выше подвижность носителей заряда. Для германия:

Для кремния:

Зависимость j от Е для германия представлена на рис.2.

А

jсм2

103

Причиной изменения концентрации является термоэлектронная ионизация, ударная ионизация, электростатическая ионизация, эффект Штарка. Действие термоэлектронной ионизации, заключается в том, что электрическое поле облегчает переход электронов в зону проводимости за счёт тепловой энергии.

Действие ударной ионизации заключается в возбуждении свободных электронов, которые получили на участке свободного пробега большую энергию от поля, связанного электрона примесного атома или атома основной решётки. Действие электростатической ионизации связанно с тем, что электрическое поле наклоняет уровни валентной зоны и зоны проводимости (рис.3), электроны предпочитают горизонтальные переходы 2 и 2’ вертикальным переходам 1 и 1’.

Эффект Штарка связан с уменьшением ширины запрещённой зоны в сильном электрическом поле при высоких концентрациях примесей, когда полу-

проводник вырожденный. Для большинства полупроводников зависимость от Е определяется ростом концентрации носителя заряда с увеличением Е и

15.2. Влияние корпускулярных облучений на электропроводность полупроводников

При бомбардировке полупроводника потоками электронов, нейтронов, протонов их электропроводность изменяется по четырем причинам:

-корпускулярное облучение ионизирует атомы, вследствие чего концентрация носителей тока увеличивается, проводимость растет. После прекращения облучения проводимость быстро уменьшается;

-под действием бомбардирующих частиц происходит смещение упорядочно расположенных атомов (ионов), вследствие чего в кристаллической решетки образуются стабильные дефекты двух типов: вакансии и атомы (ионы), внедрившиеся в междоузлие (дефект по Френкелю); эти дефекты, как

ихимические примеси, изменяют энергетический спектр полупроводника, что

ведет к изменению равновесной концентрации носителей тока, создаваемой термическим возбуждением;

-под действием корпускулярного облучения происходят разноактивные превращения, в результате которых в полупроводнике появляются стабильные атомы или ионы таких элементов, которые отсутствовали в полупроводнике. Этот процесс равносилен введению в полупроводник химических примесей.

-дефекты решетки и примеси постоянных элементов, создаваемые корпускулярным облучением, снижают подвижность носителей заряда, если при данной температуре она определяется рассеянным носителем на примесных центрах.

Степень и характер влияния этих факторов на проводимость полупроводника определяется его строением, температурой, энергией облучающих частиц временем облучения.

При облучении электронами с энергией менее 0,55 МэВ, проводимость Ge n и р-типа растет и падает с прекращением облучения за 10-3 с. При энергии электронов 1 МэВ изменение проводимости различно для германия n и р-типа. Германий n-типа сначала уменьшает проводимость, а затем с течением времени облучения увеличивает ее до значения, превышающего начальную проводимость, причем германий n-типа превращается в германий р-типа. У германия р-типа проводимость все время возрастает. Это говорит о том, что дефекты созданные облучением, имеют акцепторный характер.

При облучении нейтронами в германии появляются атомы гелия - акцепторы, мышьяка - доноры, селена (нейтрален). Атомов гелия образуется больше, поэтому влияние на германий нейтронов такое же, как и влияние электронов.

При облучении кремния быстрыми нейтронами проводимость его падает. Для каждого полупроводника имеется своя причина изменения проводимости.

15.3. Влияния деформации полупроводников на их проводимость

Деформация полупроводника сказывается на их проводимости по следующим причинам:

-изменяется междуатомное расстояние, что приводит к изменению энергии активации собственных и примесных атомов, изменению эффективной массы электронов и дырок; это может приводить к изменению концентрации носителей заряда и проводимости;

-при изменении междуатомных расстояний изменяется амплитуда тепловых колебаний атомов решетки, меняется длина свободного пробега носителей заряда а, следовательно, подвижность, может измениться эффективная масса носителей заряда.

Для полупроводника основную роль играет фактор изменения энергии активации, ведущей к изменению концентрации носителей заряда. Поэтому с

увеличением давления проводимость может как расти, так и падать, причем этот эффект зависит от ориентации кристалла, типа проводимость полупроводника.

Для германия n и р-типов, кремния n-типа проводимость возрастает при растяжении по оси (100), а для кремния р-типа - падает. При растяжении по оси (110) у германия и кремния n-типа проводимость возрастает, а у германия и кремния р-типа - уменьшается.

I

При всестороннем сжатии под действием давления 30 см2 у германия n- типа проводимость уменьшается в 4,5 раза, у германии p-типа возрастает на несколько процентов. У кремния n-типа - возрастает в 2 раза, у кремния р-типа - возрастает в 600 раз.

Для оценки изменения удельного сопротивления полупроводника вводится понятие тензочувствительности αρ, причем

15.4. Влияние света на проводимость полупроводников

Полупроводники поглощают энергию светового потока, причём существует два вида поглощения - фотоэлектрически активное и фотоэлектрически не активное. В первом случае возникает внутренний фотоэффект, во втором случае образуется экситоны.

Внутренний фотоэффект заключается в увеличении концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике за счет энергии света и возникает,

когда энергия света превышает ширину запрещенной зоны, т.е hν > E - для собственного полупроводника, hν > Eп - для примесного полупровод-

ника. Здесь h – частота, ν – постоянная Планка.

Энергия видимого спектра лежит в пределах 1,6 − 3,1эВ , причем

(ν = (4 - 8) × 1014 1c) . Энергия 1,6 эВ соответствует красному цвету; 3,1 эВ –

фиолетовому.

Зависимости фототока Iф и коэффициента поглощения света К от длины волны приведены на рис. 5.

ряда - электроны и дырка. Возникает фотопроводимость, при этом возбужденный атом забирает энергию из решетки. При столкновении с примесным центром экситон может и исчезнуть с передачей энергии кристаллической решетке.

16. ЭФФЕКТЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ

16.1. Эффект Ганна

Эффект Ганна связан с изменением подвижности свободных носителей за-

ряда μ под действием сильного электрического поля. Он наблюдается у полупроводников, имеющих два минимума в зоне проводимости, например, у GaAs (рис.1).

Рис. 1

На рисунке к – волновой вектор, а – параметр решетки. В минимуме I μn в

25-30 раз выше, чем в минимуме II. При сильном внешнем электрическом поле энергия электронов первого минимума повышается настолько, что оказывается возможным их переход во второй минимум. В результате проводимость

γ (γ=n·q·μn) уменьшает и плотность тока j (j=E·γ) падает. На вольтамперной характеристике (ВАХ) появляется участок отрицательного дифференциального сопротивления (рис.2).

I

ВАХ N-образная. Если такой диод включить в резонансную систему (отрезок волновода), то в нем возникают незатухающие электрические колебания.

При толщине отрезка d = 100 мкм генерируемая частота f = 1 ГГц, а при d = 2 мкм f = 30 ГГц.

16.2. Фотолюминесценция

Если тело нагреть до высокой температуры, оно начинает светиться, т.е. испускать световую энергию с длиной волны, определяемой температурой, строением и составом тела.

Испускание света, не требующее нагревание тела, называется люминесценцией.

Известно несколько видов люминесценции. Если вещество светится при понижении его температуры – термолюминесценция. Разреженные газы при прохождении через них электрического тока светятся – электролюминесценция. Некоторые вещества светятся при химической реакции, например, желтый фосфор, окисляясь. Это хемилюминесценция. Некоторые вещества светятся при их деформации – триболюминесценция, при бомбардировке их электронами – катодолюминесценция, при облучении α-частицами – радиолюминесценция, при облучении рентгеновскими лучами – рентгенолюминесценция, под действием светового потока –фотолюминесценция.

Различают флуоресценцию и фосфоресценцию. Если процесс свечения продолжается в течение менее 10-6с после воздействия света – флуоресценция, если более 10-6с (10-5- 10-4с) – фосфоресценция.

Фотолюминесцирующие вещества – полупроводниковые соединения с введенными в них специальными примесями – активаторами.

ЗП ЗП

Если на поверхность флуоресцирующего вещества падает фотон с энергией hν, то он поглощается атомами активатора, в результате чего электрон с уров-

ня активатора А переходит в зону проводимости (рис.3, переход 1). Возникает внутренний фотоэффект. Фотоэлектрон свободно блуждает внутри кристалла, может встретиться с другими ионами активатора, происходит рекомбинация, т.е. электрон из зоны проводимости переходит на уровень активатора (рис.3, переход 2). При этом испускается фотон света. Процесс активации электронов и их рекомбинации происходит очень быстро, поэтому время послесвечения меньше 10-6с.

При фосфоресценции в веществе кроме уровней активаторов существуют и уровни ловушек – центров захвата (рис.4). Фосфоресценция обусловлена большим количеством электронных переходов. При облучении тела фотонами

с энергией hν атом активатора поглощает фотон и выбрасывает электрон в зону проводимости (рис.4, переход 1). Возникает внутренний фотоэффект, электрон блуждает внутри кристалла. Его может захватить ловушка (рис.4, переход 2), уровень которого находится несколько ниже дна зоны проводимости. В таком состоянии электрон не может рекомбинировать с ионом активатора. Его освобождение с ловушки возможно при затрате энергии за счет тепла или инфракрасного облучения. Электрон снова попадает в зону проводимости (рис.4, переход 3). Далее электрон может быть снова захвачен ловушкой и, в конце концов, рекомбинировать (рис.4, переход 4) с излучением фотона. Так как электрон блуждает, время свечения больше.

Согласно закону Стокса длина волны света, испускаемого веществом, больше длины волны света, падающего на вещество (рис.5).

и рекомбинации носителей заряда в примесном полупроводнике. Значит, зная концентрацию основных носителей заряда в полупроводнике и концентрацию собственных носителей заряда, можно определить концентрацию неосновных

носителей заряда. Концентрации n и p, найденные из условия равновесия, на-

зываются равновесными концентрациями и обычно пишутся как n0 и p0. Действие большинства полупроводниковых приборов основано на введе-

нии в полупроводник неосновных носителей заряда. Их концентрация называется неравновесной и с течением времени в результате процесса рекомбинации стремится к равновесной. Неравновесные носители заряда могут вводиться инжекцией, воздействием света и другими способами.

Известно три вида рекомбинации электронов и дырок:

1)непосредственная рекомбинация;

2)рекомбинация через ловушки – центр рекомбинации;

3)поверхностная рекомбинация.

При рекомбинации, как и при генерации носителей заряда, соблюдаются законы сохранения энергии.

Непосредственная рекомбинация заключается в переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону. Причем возможна излучательная и безизлучательная рекомбинации. При излучательной рекомбинации энергия электрона и дырки испускается в виде света (фотонов), при безизлучательном - в виде тепла (фононов). Вероятность непосредственной рекомбинации очень мала.

Рекомбинация через ловушки в подавляющем большинстве случаев играет решающую роль. Ловушками называются локальные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника. Эти уровни образуются различными несовершенствами кристаллической структуры, т.е. атомами примеси, дислокациями, пустыми узлами в решетке и т.д. При рекомбинации через ловушку электрон из зоны проводимости сначала попадает на уровень ловушки, а затем возможны два случая:

1)электрон обратно выбрасывается в зону проводимости;

2)электрон далее сваливается в валентную зону после рекомбинации с дыркой; причем сначала может явиться в ловушку дырка, а затем электрон или наоборот.

Выброс электрона с уровня ловушки обратно в зону проводимости может произойти за счет тепловых флуктуаций, если уровень ловушки лежит ближе к дну зоны проводимости, чем к потолку валентной зоны. В этом случае захват ловушкой электрона более вероятен, чем захват дырки и электрон будет или долго ждать своего «партнера», или вернется в зону проводимости. Если обратный выброс электрона в зону проводимости с уровня ловушки более вероятен, чем рекомбинация, то такие уровни называются центрами прилипания, если более вероятна рекомбинация – центрами рекомбинации.