1 .2.3. Ефекти, що пов’язані з електропровідністю напівпровідників

На рис. 1.4 представлена залежність струму і в напівпровіднику від напруженості електричного поля Е.

З ростом напруженості електричного поля провідність напівпровідника змінюється. В слабких електричних полях концентрація носіїв заряду не залежить від напруженості поля Е, а залежність струму через напівпровідник від напруженості електричного поля підпорядковується закону Ома (ділянка ОА на рис 1.4).

Починаючи з деякого значення напруженості Е₁, зростання струму із ростом напруженості Е припиняється (ділянка АВ на рис. 1.4), а далі (від Е = Е_кр) струм і починає зменшуватись (ділянка ВС на рис. 1.4). Енергія поля ще недостатня для збільшення концентрації носіїв зарядів, а рухомість електронів зменшується внаслідок збільшення кількості зіткнень з атомами кристалічної решітки. У відповідності з цим диференціальна провідність (див. ч.1, п. 1.1.1) напівпровідника на ділянці ВС (рис. 1.4) виявляється від’ємною.

Падіння струму із зростанням Е продовжується до порогового значення напруженості Е_пор. Після чого, внаслідок збільшення концентрації носіїв заряду, провідність напівпровідника швидко зростає (ділянка СD).

Існує кілька причин збільшення концентрації носіїв зарядів у відносно сильних електричних полях.

В сильних полях відбувається виривання полем носіїв заряду із зв’язків і ударна іонізація атомів електронами, що здобули для цього достатню енергію. Це явище отримало назву ефект Пула.

Одним з механізмів збільшення носіїв заряду в сильних електричних полях є ефект Зенера. В деяких випадках при сильних полях енергетичні зони в межах простору напівпровідника скривлені (рис. 1.5). Зокрема, це має місце в області контакту напівпровідників з різним типом провідності. В цьому випадку електрон набуває можливості проходити через заборонену зону двома шляхами. Вертикальний перехід пов’язаний з витратою енергії і зумовлений механізмом ударної іонізації. Такий перехід відбувається в певному місці тіла напівпровідника. При г оризонтальному переході енергія не витрачається. Рухаючись в тілі напівпровідника, електрон попадає в область, де рівень зони провідності для електронів нижчий за той, що електрон вже має. Відбувається немовби «просочування» електронів крізь потенціальний бар’єр. Це явище отримало назву електростатичної іонізації, або ефекту Зенера. Експерименти показали, що ефект Зенера в германії починає проявлятись при напруженості електричного поля Е  210⁷ В/м.

При Е  10⁸ ... 10⁹ В/м в напівпровіднику виникає ефект Штарка – розчеплення енергетичних рівнів, що призводить до зменшення ширини забороненої зони. В зв’язку з цим зменшується енергія, яка необхідна електрону для переходу з валентної зони в зону провідності.

Зростає роль температурного впливу на напівпровідник: із збільшенням температури збільшується кількість вільних електронів, отже, зростає електропровідність. Це явище називається термоелектронною іонізацією Френкеля.

Широке практичне застосування отримав ефект Ганна. Сутність цього ефекту полягає в тому, що при загальній напруженості електричного поля, що відповідає ділянці ВС (рис. 1.4), внаслідок деякої випадкової неоднорідності питомого опору напівпровідника, в області кристалу, там, де цей опір збільшений, буде підвищена і напруженість поля, що, відповідно залежності і = f(E) (рис. 1.4, ділянка графіка ВС), зумовить зменшення щільності струму і в межах цієї області кристалу. Тому електрони, що беруть участь в струмі, будуть накопичуватись з одного боку області кристалу, створюючи від’ємний заряд, а їх недостатність з протилежного боку області кристалу утворить не скомпенсований додатний заряд. Таким чином, утворюється дипольний шар (саме ця область кристалу з підвищеним питомим опором), збіднений вільними електронами. Цей шар називають електростатичним доменом.

Звичайно домен утворюється поблизу вплавлення електродів (контактів) в напівпровідник – там напівпровідник виявляється найбільш неоднорідним.

Під дією зовнішнього електричного поля електростатичний домен (не область напівпровідника) рухається через кристал в напрямку від низького потенціалу («катода») до високого («анода») із швидкістю близько 10⁵ м/с. Зароджується домен завжди в області катода. При підході до анода електрони домену рекомбінують і останній розпадається. При цьому зароджується новий домен і процес повторюється, набуваючи періодичний характер.

Оскільки в виникнення домену в кристалі супроводжується збільшенням опору останнього внаслідок зниження концентрації вільних електронів, то в період існування домену струм в колі кристалу зменшується приблизно у два рази в порівнянні із струмом, що проходить через кристал в період розпаду-зародження домену. Вказаний процес повторюється з надвисокою частотою, оскільки швидкість переміщення домену в кристалі надзвичайно велика.

Таким чином, ефект Ганна дозволяє перетворити потужність постійного струму джерела живлення в потужність змінного пульсуючого струму надвисокої частоти. Принципово можливим є створення генераторів Ганна потужністю порядку кількох кіловат в імпульсі і частотою до десятків гігагерц. Крім того, генератори Ганна прості за конструкцією, мають значний строк роботи і здатні працювати від джерел низької напруги.

Поверхневі явища в напівпровідниках зумовлені порушенням кристалічної решітки у поверхні напівпровідникового кристалу внаслідок обриву ковалентних зв’язків у приповерхневих атомів. Як наслідок, порушується електрична нейтральність атомів приповерхневого шару і на поверхні кристалу виникають носії електричного заряду тієї або іншої полярності. Так наприклад, при появі на поверхні напівпровідника n-типу зарядів додатної полярності біля поверхні виникає збагачений електронами шар, оскільки електрони будуть притягуватись із глибинних шарів напівпровідника до його поверхні. Якщо ж на поверхні виникають електричні заряди від’ємної полярності, то приповерхневий шар напівпровідника збіднюється електронами, оскільки вони будуть виштовхуватись у глибину кристалу.

Якщо перпендикулярно до поверхні напівпровідника прикласти зовнішнє електричне поле за допомогою металевого плаского електроду, відокремленого від напівпровідника шаром діелектрика¹, то у приповерхневій зоні напівпровідника буде наводитись такий же за величиною заряд, як і на металевому електроді. Знак заряду у напівпровіднику залежатиме від полярності напруги, прикладеної до металевого електрода і напівпровідника, – при від’ємній полярності напруги на металевому електроді наведений у напівпровіднику заряд буде додатний.

У напівпровіднику з провідністю р-типу додатний заряд зумовлений дірками, які притягнулись до поверхні, а у напівпровіднику з провідністю n-типу – іонами донорів, від яких відштовхнулись електрони, що компенсували їх заряд. Отже, у першому випадку відбувається збагачення, а в другому випадку – збіднення приповерхневого шару напівпровідника носіями заряду.

Явище зміни концентрації носіїв заряду (а отже, і провідності) у приповерхневому шарі напівпровідника під дією електричного поля називають ефектом поля. Цей ефект використовується у так званих польових транзисторах.