Рецензенти: доц. Московського станкоинструментального інституту, канд техн наук Г. И. Гранітів; викладач Московського технікуму електронних приладів А. В. Закревская Гаркуша Ж. М

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

1 ... 7 8 9 10 11 12 13 14 ... 17

§ 7.6. ПЕРЕНОС НОСІЇВ У ТОНКИХ ПЛІВКАХ

Технічний прогрес в електроніці зв'язаний з використанням для виготовлення напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем тонких шарів напівпровідників, діелектриків, металів. Застосування цих шарів досить різноманітно.

Металеві плівки служать обкладками конденсаторів резистори і струмопровідні доріжки також виконують у виді тонких металевих плівок. Активні елементи-транзистори і

151

діод-створюють на основі напівпровідникових плівок. Ізоляцію елементів і захист поверхні приладів здійснюють за допомогою діелектричних плівок.

Тонкі плівки за структурою і властивостями відрізняються від об'ємних зразків того ж складу. Напівпровідникові плівки по своїх властивостях наближаються до діелектричного. Питома електропровідність металевих плівок відрізняється від электропровод-пости звичайних металів. У приладах плівки контактують один з одним, і тому важливо знати основні механізми переносу носіїв заряду крізь плівки, тому що вони впливають на електричні параметри приладів. Найбільше часто використовують сполучення лленок: метал -діелектрик - метал (Мдм-структура), метал - діелектрик - напівпровідник (Мдп-структура). Розглянемо механізми переносу носіїв заряду через Мдм-структуры. Особливості роботи структур МДП будуть описані в гл. 9.

Через Мдм-структуру (замість діелектрика може бути высокоомный напівпровідник) проходження струму можливо двома шляхами: туннелированием і надбар'єрною емісією. Переважна роль одного з цих механізмів залежить від висоти потенційного бар'єра на границі з металом, товщини діелектричної плівки і температури.Структури МДМ можуть бути симетричними, якщо метали однакові, і несиметричними у випадку різних металів (мал. 7.16).

У тонк-товщиною трохи нанометр-діелектричних плівках переважає тунельне проходження струму. При цьому повна енергія електрона, що переходить з металу в метал, не змінюється, тобто перехід здійснюється без витрати енергії. Умовою тунельного проходження є наявність вільного рівня в одному з металів, розташованого напроти зайнятого рівня в іншому металі. При відсутності зовнішнього електричного полючи кількість електронів, туннелирующих з першого металу в другий і назустріч, однаково, тому струм через Мдм-структуру отсутствует.

З додатком зовнішнього полючи енергетичні рівні металів зміщаються відносно один одного (мал. 7.17) і в результаті заповнені рівні одного металу виявляються розташованими напроти вільних рівнів іншого металу. Виникає тунельний струм, напрямок якого визначається полярністю прикладеної напруги.Експериментальні роботи з вивчення тунельного проходження струму через плівки діелектриків (АІ3Оэ, Та2ПРО5, Тіоа, Cu2O, Sі, Ge2) показали, що при малих значеннях напруги струм з ростом напруги зростає лінійно, потім по експоненті, з наступним уповільненням росту. Це порозумівається впливом пасток у діелектрику.Явище надбар'єрної емісії в діелектрику аналогічно явищу термоелектронної емісії електронів з металу у вакуум. Щільність струму емісії визначається роботою виходу ? металу

152

у вакуумі:

Уводячи позначення

одержуємо

При визначенні струму емісії з металу в чи діелектрик напівпровідника замість ?> потрібно підставляти ф-х, де х -енергія

спорідненості діелектрика до електрона, тому що бар'єр на границі металу з діелектриком нижче, ніж на границі металу з вакуумом:

І При додатку електричного полючи висота потенційного бар'єра на границі металу з вакуумом зменшується і струм емісії зростає:

При малих значеннях прикладеної напруги щільність струму визначається як

Де В -деяка постійна, залежна від температури і толшины d діелектрика. При значних напругах струм

153

Якщо діелектрик замінити напівпровідником, то всі процеси, що протікають у Мпм-структуре, будуть аналогічні розглянутим для контакту метал - напівпровідник.

Емісійний струм сильно залежить від температури:

§ 7.7. СТРУМИ В ДІЕЛЕКТРИЧНИХ

І НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПЛІВКАХ,

ОБМЕЖЕНІ ПРОСТОРОВИМ ЗАРЯДОМ

Розглянуті механізми проходження токи характерні для тонких діелектричних плівок. У випадку товстих плівок на проходження струму починають впливати процеси, що протікають в обсязі плівки. Діелектрик характеризується малою концентрацією носіїв заряду, тому електропровідність діелектричної плівки може сильно змінюватися при інжекції в плівку носіїв заряду. Як правило, рівень інжекції перевищує рівноважну концентрацію носіїв у діелектрику, тому проходження струму через діелектричні плівки зв'язано з инжектированными носіями заряду.

У симетричних Мдм-структурах протікає двостороння інжекція, у несиметричних - однобічна.

Розглянемо проходження струму через діелектричну плівку для однобічної інжекції.

У випадку додатка до Мдм-структуре зовнішньої напруги через неї починає проходити струм, що супроводжується перерозподілом концентрації електронів, потенціалу і напруженості електричного полючи в діелектрику. Вольт-амперна характеристика істотно залежить від рівня інжекції. У випадку симетричного переходу в області малих струмів вольт-амперна характеристика линейна.

Причина полягає в тім, що при малих напругах концентрація инжектированных носіїв заряду мала в порівнянні з рівноважної. При цьому, за час проходження инжектированных носіїв, рівноважні носители заряду встигають перерозподілитися так, що заряд инжектированных носіїв нейтралізується і не впливає на струм, обумовлений практично концентрацією рівноважних носіїв. Щільність струму тому підкоряється закону Ома (мал. 7.18, ділянка 1):

де d - товщина шаруючи діелектрика.

При збільшенні прикладеної напруги зростає концентрація инжектированных носіїв, що приводить до утворення просторового заряду в поверхні електрода, і вольт-амперна характеристика стає квадратичною (мал. 7.18, ділянка 2):

154

Перехід від закону Ома до квадратичного закону відбувається при концентрації инжектированных носіїв заряду, рівної концентрації рівноважних. Істотний вплив на величину струмів, обмежених просторовим зарядом, роблять пастки. У діелектрику пастки утворяться різними дефектами структури. Рівні пасток знаходяться в забороненій зоні діелектрика (мал. 7.19). Рівні, розташовані вище рівня Ферми, називають дрібними пастками, вони практично вільні; лежачі нижче рівня Ферми називають глибокими пастками, вони зайняті електронами.

З додатком напруги змінюється концентрація електронів у зоні провідності і на дрібних пастках, тому що глибокі

уже зайняті електронами. Оскільки дрібні пастки розташовані нижче зони провідності, те велика частина инжектированных електронів виявиться не в зоні провідності, а на рівнях дрібних пасток і не буде брати участь в електропровідності.. Це приведе до зменшення струму. Закон зміни струму буде таким же, як при наявності просторового заряду, але величина струму значно менше.

Коли пастки заповнені електронами, плівка поводиться як діелектрик без пасток і вольт-амперна характеристика змінює вид (мал. 7.20). Перша ділянка показує залежність ТОКОВІ ВІД напруги з вільними дрібними пастками, утор-стрибкоподібне зростання струму при заповненні пасток, третій - залежність струму від напруги після заповнення пасток.

У випадку подвійної інжекції при малих її рівнях струм підкоряється закону Ома. З ростом рівня інжекції струм починає змінюватися як квадрат напруги, а при великих рівнях інжекції вид вольт-амперної характеристики залежить від співвідношення часу життя дірок і електронів і від того, чи міняється час життя

155

инжектированных носіїв заряду зі зміною їхньої концентрації.

Якщо час життя инжектированных носіїв заряду не залежить від їхньої концентрації, то вольт-амперна характеристика буде квадратичною. При цьому в умовах великої концентрації електрони і дірки рекомбинируют один з одним і величина струму визначається швидкістю рекомбінації.

У тому випадку, якщо час життя дірок залежить від їхньої концентрації, на вольт-амперній характеристиці з'являється ділянка отриательного диференціального опору. Це порозумівається наступним. Глибокі пастки в діелектрику зайняті електронами. Инжектированные електрони беруть участь в електропровідності, а

инжектированные дірки захоплюються пастками і рекомбинируют з електронами. Час життя дірок мало. При збільшенні рівня инжекцки усе більша кількість пасток захоплює дірки і поступово заповнюється ними; час життя дірок зростає доти , поки всі пастки не звільняться. Зі збільшенням часу життя дірок концентрація їх збільшується, провідність зростає, з'являється область негативного опору. Падіння опору буде відбуватися доти , поки зростання концентрації електронів і дірок не приведе до різкого збільшення швидкості рекомбінації (мал. 7.21).

§ 7.8. СВЕРХРЕШЕТКИ

Сучасна технологія дозволяє вирощувати зроблені структури напівпровідників товщиною в 1-5 нм. Надтонкі шари володіють особливими фізичними властивостями. З таких шарів можна створити твердотельные багатошарові структури, у яких

156

крім періодичного потенціалу кристалічних ґрат виникає додатковий, штучно створений періодичний потенціал з періодом, на чи порядок більш перевищуючим посто-янную ґрати. Такі структури називають сверхрешетками.Розглянемо фізичні процеси, що протікають у сверхрешетках. Енергетичний спектр електронів у твердому тілі визначається структурою кристалічних ґрат цього тіла. Якщо в криталле створити убудований періодичний потенціал, то за певних умов поводження електрона в такій структурі буде визначатися вже не властивостями вихідного кристала, а параметрами штучно створеного потенціалу. Змінюючи амплітуду потенціалу, його форму, період, можна у визначених межах керувати зонним спектром - одержувати напівпровідники з заданими параметрами дозволених і заборонених зон і ефективних мас електронів і дірок. Сучасна технологія дозволяє поки створювати лише одномірні ґрати.Для створення сверхрешеток використовують невырожденные напівпровідники з малою концентрацією електронів і дірок. У таких напівпровідниках поводження електронів визначається тільки харакром додаткового потенціалу, навіть якщо його величина составют десяті частки електрон-вольта. Дія сверхрешеточного попинала буде виявлятися в тому випадку, якщо період сверхрешетки набагато менше довжини вільного пробігу електронів. У граничному випадку довжина вільного пробігу повинна бути більше няти періодів сверхрешетки. У чистих напівпровідниках довжина вільного пробігу електронів не перевищує декількох сотень намометров, тому період сверхрешетки повинний бути дорівнює не більш, ніж декільком десяткам нанометрів.Нові дозволені і заборонені зони, що виникають у результаті дії додаткового потенціалу, одержали назва "міні-зон".У залежності від способу впливу, що приводить до возниккает у кристалі потенціалу, що модулює, сверхрешетки поділяють на статичні і динамічні. У статичних потенціал, що модулює, не може бути істотно змінений після изготоления. У динамічних сверхрешетках міні-зонний спектр виникає в ті моменти, коли на структуру накладається какоелибо зовнішній вплив (світло, ультразвук). У таких сверхрешетках маються великі можливості керування параметрами минизонного спектра в процесі експлуатації приладів.

Статичні сверхрешетки можна одержати, змінюючи в процесе росту монокристаллов концентрацію, тип домішки. Якщо ширина

області просторового заряду менше товщини шарів, то область просторового заряду поширюється на всю структуру електричний потенціал періодично буде мінятися вдолль її осі. Якщо довжина шарів більше періоду структури, виникне сверхрешетка, у якій параметри потенціалу, що модулює, визначаються концентрацією і природою легуючої домішки. Амплітуда потенціалу, що модулює, може досягати і перевищувати 157

ширину забороненої зони. У цих випадках відбувається перекриття валентної зони і зони провідності.

Динамічні сверхрешетки одержують, збуджуючи в кристалі могутню оптичну стоячу хвилю. Якщо енергія хвилі менше ширини забороненої зони, то електромагнітне поле, максимальне в пучностях і мінімальне у вузлах, повинне привести до періодичного фотопорушення електронів па примесных рівнях.

У зоні провідності виникають періодичні додаткові концентрації з періодом, рівним половині довжини оптичної хвилі. Неоднорідний розподіл носіїв заряду викликає виникнення періодичного потенціалу з періодом у половину довжини світлової хвилі. Амплітуда цього потенціалу визначається интепсивиостыо випромінювання, що збуджує примесные центри.

Практично сверхрешетки створюються на гетероструктурах. Основним методом одержання сверхрешеток є эпитаксия. Л. Исаки запропонував і виготовив сверхрешетку, що складається із системи гетеропереходов з різним хімічним складом, що мінявся в процесі виготовлення. Енергія електронів у дозволених зонах щодо рівня енергії вільного електрона в такій структурі буде періодично змінюватися в напрямку росту" тому краю зон будуть деформуватися. При різкій зміні складу потенціал, що модулює, має прямокутну форму; якщо хімічний склад змінювати плавно, можна одержати потенціал будь-якої форми. Властивості сверхрешеток спостерігаються тільки за умови пренебрежимо малого впливу границь роздягнула між шарами (ідеальні гетероструктуры).

Властивості реальної сверхрешетки визначаються не стільки характером і амплітудою потенціалу, що модулює, скільки наближенням гетеросистемы до ідеального. Останнє залежить від розходження у величині постійних ґрат, у коефіцієнті теплового розширення і наявності взаємодії домішок і дефектів. Гетероструктуры, створені на основі з'єднань AlAs-GaAs, AlSb-GaSb, CdTe-нgTe, задовольняють зазначеним вимогам. Па установці Исаки отримані періодичні структури на основі системи Ga1-х Aіх As з числом періодів 40-100, при цьому кожен період складався із шару GaAs товщиною 6 їм і шаруючи Al0,5 Ga0,5 As товщиною 1 нм.

Сверхрешетки зустрічаються в природі. Прикладами можуть служити сплави деяких шляхетних металів, шаруваті напівпровідники і політичні напівпровідникові структури. Сплав мідь- золото, наприклад, має гранецентрированную кубічні ґрати (мал. 7.22), причому структура кристала міняється через кожні п'ять елементарних осередків. Така структура являє собою сверхрешетку з постійних ґрат, рівної 10. Оскільки цей сплав - метал, те сверхструктура на енергетичному спектрі електрона практично не виявляється.

У шаруватих напівпровідників (з'єднання A111BVІ) атоми усередині шарів товщиною в трохи постійні ґрати зв'язані між собою міцними хімічними зв'язками, а слон зв'язані між

158

собою значно більш слабкими зв'язками. Типовим шаруватим напівпровідником є селенід галію GaSe. Кожен атом галію зв'язаний ковалентними зв'язками з трьома атомами селен і одним атомом галію, утворити шари. Електрони рухаються усередині шарів, тому що рух між шарами утруднено, тому очікується , що в таких ґратах за певних умов можуть виявлятися властивості сверхрешетки.

Особливість шаруватих структур полягає в тім, що слон можна розсунути на деяку відстань шляхом впровадження в межслосвые проміжки молекул з розмірами, що перевищують відстань між шарами, наприклад молекул Та, Mo2, що мають шарувату структуру, аналогічну структурі селеніду галію.

Прикладом политипного по

лупроводника служить карбід

кремнію. Елементарної ячей

який структури карбіду крем

ния є тетраедр. По-різному

образие кристалічних

структур карбіду кремнію, про

ладающих близькі парамет

рами ґрати, порозумівається

різним упакуванням цих тет

раэдров. У процесі выращи

вания кристалів карбіду

кремнію внаслідок зміни

температури чи вирощування бо тиску в ґратах можуть утворитися шари з різним упакуванням тетраедрів. Якщо ж штучно змінювати параметри процесу росту кристалів, то можна з визначеної модифікації карбіду кремнію одержувати інші його модифікації, у яких період "сверхпериодичности" може змінюватися в межах від 10 до 1000 постійні ґрати. Енергія утворення убудованих шарів відрізняється від енергії утворення основних кристалічних ґрат, тому в ґратах створиться додатковий періодичний потенціал. Величина цього потенціалу може досягати 0,8 ев і може сильно впливати на фізичні властивості карбіду кремнію. Деякі властивості, характерні для сверхрешеток, у карбіду кремнію спостерігалися експериментально.

Перспективи застосування сверхрешеток величезні. За певних умов сверхрешетки можуть виявляти негативну диференціальну провідність, що можна використовувати для приладів із практично необмеженою частотою генерації і посилення електромагнітних коливань, порядку 1013 Гц. Сверхрешетки можуть бути використані для створення квантових підсилювачів електромагнітних хвиль і генераторів з керованої за допомогою напруги частотою генерації, а також приймачів інфрачервоного випромінювання, що працюють при номінальній температурі порядку 20° С, умножителей частоти і т.п..

159

Контрольні питання і задачі

1. Чому при контакті двох напівпровідників різного типу электропро

водности починається процес дифузії основних носіїв заряду?

2. Чим визначається висота потенційного бар'єра, що виникає на гра

нице контакту двох напівпровідників?

3. Що є причиною виникнення дрейфових струмів при контакті

двох напівпровідників? '

4. Чому питомий опір р-n-перехода значно більше, ніж

у контактуючих напівпровідників р- і n-тииа?

5. Визначити величину контактної різниці потенціалів, що діє

в р-n-переходе, якщо концентрації основних носіїв заряду в р- і n-германії

однакові і рівні 1016 див-3 (температура кімнатна).

6. Визначити ширину симетричного р-п-перехода, що образовались на

границі контакту л- і р-германня, якщо величина контактної різниці потенциа

лов дорівнює 1 В, а концентрація донорів і акцепторів Nа=Nд =1017 див-3,

7. Як зміниться ширина р-n-перехода, якщо до нього прикласти зовнішня

напруга в прямому напрямку Uдв=0,3 В?Інші умови те ж, що в питанні б.

8. Як змінюється питомий опір р-n-перехода при подачі на нього

зовнішньої напруги в прямому і зворотному напрямку?

9. Як буде поводитися р-n-переход якщо прикладене до нього в прямому напрямку зовнішня напруга буде дорівнює контактної різниці потенціалів?

10. Чому можна вважати, що переходи п-п+ і р-р+ є неинжектирующими?

11. Якими основними перевагами в порівнянні зі звичайними р-n-переходами володіють гетеропереходы?

12. Чим відрізняється емісія електронів з металу у вакуум від емісії изметалла в діелектрик?

13. При якій умові гетеропереходы є yеинжектирующими?

14. При яких умовах у тонких плівках переважає надбар'єрна емісія?

15. З чим зв'язане утворення області просторового заряду в диэлект рической плівці при проходженні через неї струму?

1G. При яких умовах величина струму, що проходить через Мдм-структуру, залежить від часу життя инжектированных носіїв заряду?

17. Від чого залежить ширина дозволених і заборонених зон у напівпровіднику з погляду структури кристалічних ґрат?

18. У чому розходження між статичними і динамічними сверхрешетками?

19. Чому сверхрешетки створюють на гетероструктурах?

ГЛАВА 8

ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ

І ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

НАПІВПРОВІДНИКІВ

§ 8.1. ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА

До термоелектричних явищ відносяться наступні:

1. Ефект Зеебека- виникнення термо-э.д.с. у ланцюзі, складаючись

щей із двох чи декількох напівпровідників, місця з'єднання

яких знаходяться при різних температурах.

2. Ефект Пельтье- чи виділення поглинання тепла на кін такті двох різних напівпровідників при проходженні электри ческого струму.

160

3. Электротермический ефект - чи виділення поглинання пила в обсязі однорідного напівпровідника, обумовлене подовжнім градієнтом температури, при проходженні через напівпровідника електричного струму.

Явище Зеебека було відкрито їм у 1821 р., явище Пельтье - іt 1834 р., але обоє автора відкриттів дали їм неправильне фізичне пояснення. Лише в 1854 р. Томсон пояснив природу явищ, відкритих Зеебеком і Пельтье, і пророчив ще один ефект, що був пізніше підтверджений експериментально. Усі ці явища були виявлені на металах, де вони виявлялися дуже слабко, і тому не знайшли практичного застосування, крім ефекту Зеебека.

Положення змінилося з відкриттям напівпровідників. В даний час ефект виникнення термо-э.д.с. використовується для перетворення теплової енергії в електричну за допомогою напівпровідникових матеріалів, а ефект виділення і поглинання тепла -для одержання холоду.

Явище виникнення термо-э.д.с. Розглянемо ланцюг, що складається з двох різнорідних матеріалів M1 і М2, якими можуть Лити два метали, два напівпровідники або метал і напівпровідник. Температура спаю - Т2 а вільних кінців - Т2, причому Т1>Т2. В обох матеріалах на гарячому спаї кінетична енергія електронів більше, ніж па холодних кінцях, тому електрони починають дифундувати до вільних кінців М1 і М2- Це приполит до утворення некомпенсованих зарядів: гарячі конци спаю заряджаються позитивно, холодні- вільні негативно. Діюче між цими зарядами електричне нулі перешкоджає дифузії електронів, створюючи їхній зустрічний ноток. Рівновага настає при рівності потоків. Різниця потенціалів між вільними кінцями провідників і є термо-э.д.с. Якщо матеріалами М1 і М2 є невырожденные напівпровідники, то на гарячому спаї крім збільшення кинетиче-ской енергії часток спостерігається ріст концентрації носіїв заряду. Тому від гарячого спаю до холодних кінців рухається допольнительный потік часток, спрямований з області з більшою їхньою концентрацією в область з меншою концентрацією. Естествен-но, що в цьому випадку величина термо-з.д.с. буде більше.

Величина термо-э.д.с. у невеликому інтервалі температур пропорційна різниці температур і коефіцієнту термо-э.д.з: Е -?(Т-Т2), чи більш точно d=а2d.

Коефіцієнт термо-э.д.с. ?2 - це величина термо-э.д.з, возникаючая при одиничній різниці температур: ? - d/d. Його величина залежить від коефіцієнтів термо-э.д.с. галузей ланцюга і дорівнює

їхньої різниці.

Коефіцієнти термо-э.д.с. різних матеріалів визначаються стосовно свинцю, у якому термо-э.д.с. не виникає.

Коефіцієнт термо-э.д.с. може бути позитивним і негативної і залежить від температури. Значення деяких коефіцієнтів приведені в табл. 8.1. Для одержання максимальної величи-

161

ны термо-э.д.с. потрібно вибирати матеріали з найбільшими коефіцієнтами термо-э.д.с., але протилежного знака.

У дырочном напівпровіднику коефіцієнт термо-э.д.з позитивний, в електронному - негативний. Максимальну величину термо-э.д.с. можна одержати, з'єднавши в термопарі два напівпровідники різного типу електропровідності. Досліджуючи температурну залежність

термо-э.д.с. напівпровідника, за знаком термо-э.д.с. можна визначити тип його електропровідності.

У напівпровіднику може існувати ще один механізм виникнення термо-э.д.с. - ефект захоплення електронів фопо-нами. При низьких температурах ця складова термо-э.д.с. може бути в сотні разів більше розглянутої. При наявності градієнта температури у твердому тілі виникає потік фононів, спрямований від гарячого кінця до холодного. Фонони, зіштовхуючись з електронами, захоплюють їх за собою - на холодному кінці створюється негативний заряд. Гарячий кінець зарядиться позитивно. Нагромадження зарядів продовжується до того моменту, поки різниця потенціалів не зрівноважить ефект захоплення. Ця різниця потенціалів створює додаткову термо-э.д.с.На основі ефекту Зеебека створені термоелектричні генератори - пристрою. що складаються з джерела теплової енергії, блоку термобатарей, що токопро-водят ланцюгів і радіатора для відводу відпрацьованого тепла. Як джерела теплової енергії може бути використана енергія ядерних реакторів, хімічних реакцій горінні, енергія Сонця. Основне застосування термогенератори знаходять для харчування апаратури космічних кораблів, навігаційних і метеорологічних приладів і пристроїв, для захисту від корозії труб газо- і нафтопроводів.

Ефект Пельтье. При проходженні струму через контакт двох різнорідних матеріалів у залежності від напрямку струму місце контакту буде чи розігріватися прохолоджуватися. Причиною виникнення такого ефекту є різна кінетична енергія електронів у контактуючих тілах. Для пояснення цього эф-

162

фекта розглянемо контакт металу з напівпровідником n-типу (мал. 8.1). На малюнку видно, що кінетична енергія електронів у зоні провідності напівпровідника перевищує кінетичну енергію електронів у металі. При прямому включенні контакту струм спрямований з напівпровідника в метал і електрони переходять з тіла, де їхня енергія більше, у тіло, де їхня енергія менше. Надлишкову енергію електрони передають ґратам металу поблизу контакту, тому контакт нагріваються.

При зворотному включенні струм спрямований з металу в напівпровідника. Електронам металу для переходу в зону провідності напівпровідника необхідно придбати додаткову енергію, що вони одержують від ґрат. У цьому випадку область контакту прохолоджується. І На контакті двох напівпровідників, що володіють різним ти-

На контакті двох напівпровідників] тім електропровідності, ефект Пельтье виявляється сильніше. При включенні р-n-перехода в прямому напрямку потенційний бар'єр знижується й електрони з n-області ролупроводника переходять у р-об-ласть напівпровідника. Для останнього вони є нерівновагими носіями заряду, тому електрони рекомбbнируют з дірками, віддаючи надлишкову енергію ґратам. При зворотному напрямку включення р-n-перехода електрони з зони провідності р-области напівпровідника переносяться полем р-n-перехода в зону провідності n-області напівпровідника, а дірки з валентної зони n-шаруючи у валентну зону р-слоя. Такі переходи викликають генерацію электронно-дырочных пара, на яку затрачається енергія кристалічних ґрат. Таким чином, при прямому напрямку зсуву р-n-перехода відбувається його нагрівши, при зворотному - охолодження.

Кількість тепла, що поглинається чи виділюваного на контакті, пропорційно величині минаючого струму Й і часу t його проходження:

де ІІ - коефіцієнт Псльтьс; його величина залежить від властивостей контактуючих матеріалів.

Коефіцієнт Пельтье -це кількість тепла, виділюваного чи поглинається на контакті при проходженні через контакт одиниці заряду.

Ефект Пельтье використовується в термоелектричних холодильниках, застосовуваних у медицині, радіоелектроніці, метеорології; на його основі створені побутові холодильники.

Электротермический ефект. Якщо уздовж чи провідника напівпровідника, у якому мається подовжній градієнт температури,

163

пропустити електричний струм, то крім теплоти Джоуля буде чи виділятися поглинатися в залежності від напрямку струму деяка кількість теплоти, пропорційна величині струму і градієнту температури: де т - коефіцієнт Томсона, що залежить від роду матеріалу.

Якщо напрямок струму збігається з напрямком вплив на потік електронів градієнта температури, так що електрони рухаються від гарячого кінця до холодного, то па холодному кінці електрони віддають свою надлишкову енергію ґратам і кристал нагріваються. При іншому напрямку струму електронам для переходу на гарячий кінець потрібно додаткова енергія, одержувана ними від ґрат, тому ґрати прохолоджуються.

У замкнутій цінуй, що складається з різнорідних матеріалів, при наявності градієнта температури виникають відразу всі три ефекти. Градієнт температури приводить до створення термо-э.д.с., завдяки якій у ланцюзі виникає електричний струм. Проходження струму через кристал, що володіє градієнтом температури, викликає поява электротермического ефекту. Зв'язок між ефектами виражається співвідношенням коефіцієнтів, що характеризують ці ефекти:

де Т| і Т2 - коефіцієнти Томсона для матеріалів ланцюга.

§ 8.2. ФОТОПРОВІДНІСТЬ

При висвітленні напівпровідника в ньому можливий перерозподіл електронів по енергетичних станах і збільшення концентрації носіїв заряду. Це явище називають внутрішнім фотоефектом. Розглянемо механізми генерації носіїв заряду. Під дією світла електрон може перейти з валентної зони в зону провідності. У процесі взаємодії фотона з електроном енергія фотона цілком передається електрону. Оскільки для переходу електрона з валентної зони в зону провідності необхідно повідомити йому енергію, рівну чи велику енергії забороненої зони, то енергія фотона hv повинна бути рівної чи більший F3. Енергія фотона передається електрону у виді кінетичної енергії. Механізм виникнення в напівпровіднику в результаті оптичного порушення рівного числа носіїв зарядів обох знакоз називають біполярною світловою генерацією. У напівпровіднику n-типу можливий перехід електронів із примесных рівнів у зону провідності. Енергія фотона в цьому випадку /іv>Enp. У напівпровіднику р-тнпа фотони збуджують переходи електронів з валентної зони на рівень акцепторів. І в цьому випадку енергія фотона hv>Enp (мал. 8.2). Виникнення в напівпровіднику в результаті оптичного порушення нерівновагих

164

носіїв заряду одного знака називають монополярной світловою генерацією. Носії, порушувані світлом, називають фотоносіями. Їхня концентрація залежить від інтенсивності і частоти випромінювання. Зміна електричного опору напівпровідника під дією оптичного випромінювання називають фоторезистивным ефектом. Електропровідність напівпровідника, обумовлена фоторезистивным ефектом, називають фотопровідністю.

Повна електропровідність напівпровідника складається з темновой, здійснюваної рівноважними носіями заряду, і фотопровідності:

Роль фотопровідності в загальній електропровідності тим більше, чим нижче температура, тобто чим нижче темпова електропровідність. Носії заряду, збуджені фотонами в зону провідності, можуть мати велику енергію, чим рівноважні носії. У цьому випадку фотоносії розташовуються на більш високих енергетичних рівнях зони провідності, чим рівноважні. Протягом дуже малого проміжку часу (10-10-10-12 с) за рахунок взаємодії з ґратами фотоносії передають їй свою надлишкову енергію і переходять на вільні нижні рівні зони провідності. Рухливість нерівновагих носіїв така ж, як у рівноважних. Можна, отже, написати а = = e[(no+?n)µ+(po + p)µp]t де ?n і ?p- концентрації фотоно-ептелей.

Розглянемо напівпровідникову пластину з рівноважної кін

центрацией носіїв заряду п0. Якщо таку пластину освітити

прямокутним імпульсом світла (мал. 8.3), то стаціонарне зна

чение фотопровідності буде досягнуто не відразу, а через недо

торое час від початку висвітлення. Під дією світла швидкість

генерації носіїв заряду зростає. Збільшення концентрації

165

носіїв приводить до підвищення швидкості рекомбінації. Оскільки швидкість генерації при постійній інтенсивності випромінювання не міняється, те через якийсь час швидкість рекомбінації стане рівної швидкості генерації й у напівпровіднику установиться стаціонарна фотопровідність.

Зміна концентрації носіїв заряду в процесі генерації знаходимо, диференціюючи концентрацію фотоносіїв за часом: d?n/dt. Число рекомбинирующих в одиницю часу носіїв визначається концентрацією фотопосителей і часом їхнього життя ? ?n/т. Якщо g - кількість електронів, генерируемых світлом в одиницю часу, то зміна концентрації носіїв заряду в стані рівноваги буде описуватися наступним кінетичним рівнянням:

де .

Зміна концентрації носіїв заряду при висвітленні підкоряється експонентному закону з постійної часу, рівної часу життя нерівновагих носіїв заряду.

Після припинення висвітлення нерівновагі носії рекомбинируют і їхня концентрація зменшується аж до того моменту, коли в напівпровіднику установиться рівноважний стан. Кінетичне рівняння,здобуває вид

Концентрація нерівновагих носіїв заряду зменшується по експонентному законі. За час, рівний часу життя носіїв, концентрація нерівновагих носіїв зменшиться в е

раз.

Зміна концентрації фотоносіїв веде до зміни фотопровідності: ?ф=?nµe. Підставляючи в це вираження значення Дл, одержимо

Звідси можна зробити висновок, що закон зміни фотопровідності такої ж, як і для зміни концентрації фотоносіїв.

На основі фоторезистивного ефекту створені полупроводниконые прилади - фоторезистори, що одержали широке поширення в автоматичних пристроях сигналізації, регулювання, захисту, а також у фото- і кіноапаратурі.

166

Blog

Содержание