Напівпровідникові матеріали

У сильному електричному полі можливий перехід  електрона з валентної зони й домішкових рівнів у зону провідності без зміни енергії   шляхом так званого тунельного просочування електрона через заборонену зону. Такий механізм збільшення концентрації вільних носіїв під дією сильного електричного поля називається електростатичною іонізацією. Виникає вона при напруженостях поля порядку 10⁸ В/м.

Коли  вільний електрон під дією зовнішнього  електричного поля отримує енергію, достатню для переходу електрона з валентної зони в зону провідності, може виникнути ударна іонізація. На рис.3.2 наведена залежність питомої провідності від напруженості поля.

                   

Рис.3.2 - Залежність провідності напівпровідника від напруженості зовнішнього електричного поля

На ділянці 1 виконується лінійна залежність закону Ома, на ділянці 2 має місце термоелектронна іонізація, на ділянці 3 може виникати електростатична й ударна іонізації, а на ділянці 4 виникає пробій напівпровідника. 

3.2 Електронно - дірковий перехід ( p-n перехід)

Електричний перехід між двома областями  напівпровідника, одна з яких має електропровідність p - типу, а інша  - n-типу, називають електронно-дірковим переходом або p-n - переходом. Такі переходи одержують шляхом введення в напівпровідник донорної і акцепторної домішок таким чином, щоб одна частина напівпровідника володіла електронною, а інша - дірковою електропровідністю. Створити електронно-дірковий перехід механічним з'єднанням двох напівпровідників з різними типами електропровідності неможливо.

Допустимо, що n- і  p-напівпровідники стикаються один з одним (рис. 3.3).

                      

Рис.3.3 - Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника при відсутності зовнішнього електричного поля.

Оскільки  в n-напівпровіднику міститься велика кількість електронів, а в p-напівпровіднику  – дірок, то між ними почнеться обмін носіями зарядів. У результаті цього в приконтактній області напівпровідника n-типу утворюється некомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки, а в напівпровіднику р – типу виникає негативний заряд іонів акцепторної домішки. Область розподілу напівпровідників n- і p- типу  виявиться збідненою вільними носіями заряду й, незважаючи на малу ширину (h ≈10^-6 – 10^-8м), буде володітиме  більшим опором, який значно перевищує опір іншої частини напівпровідників. Наявність негативного і позитивного об'ємного зарядів приводить до утворення електричного поля, що перешкоджає подальшому дифузійному потоку носіїв заряду.

Якщо  до p-області прикласти позитивний полюс джерела живлення, а до n-області - негативний, то зовнішнє електричне поле буде спрямоване зустрічно електричному полю, обумовленому об'ємними зарядами (рис. 3.4).

Основні носії заряду в p- і n- напівпровідниках, які мають найбільшу енергію, одержують можливість проникнути через  збіднений шар в області, де вони рекомбінуються. При такій полярності зовнішньої напруги електронно-дірковий перехід буде «відкритий» і через нього протікатиме прямий струм.

                     

Рис.3.4 - Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника, коли зовнішнє електричне поле спрямоване зустрічно дифузійному.

При зміні  полярності зовнішньої напруги електричне поле об'ємних зарядів  і зовнішнє поле будуть збігатися за напрямком. У результаті дії сумарного електричного поля основні носії починають рухатися від переходу й перетнути перехід зможуть тільки неосновні носії (рис.3.5).

                    

Рис. 3.5 - Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника, коли зовнішнє електричне поле збігається за напрямком з дифузійним.

 Оскільки  кількість неосновних носіїв  у багато разів менше основних, то й струм, викликаний ними, буде менше, ніж струм, що з'являється при прямому включенні. При такому включенні електронно-дірковий перехід «закритий» і через нього протікає тільки малий зворотний струм неосновних носіїв заряду.

Вольт - амперна характеристика p-n переходу наведена на рис. 3.6. Для опису цієї залежності використовується вираз

де  - струм насичення (при зворотному включенні p-n переходу цей струм дорівнює зворотному струму); U – прикладена напруга; q/k ≈ 40 В-1 при кімнатній температурі.

                      

Рис.3.6- Вольт - амперна характеристика p-n переходу. 

3.3 Термоелектричні  явища в напівпровідниках

Серед термоелектричних явищ, що мають місце  в напівпровідниках, слід виділити ефекти Зеєбека, Пельт’є і Томпсона.

Ефект Зеєбека полягає в тому, що в електричному колі, яке складається з послідовно з'єднаних різнорідних напівпровідників або напівпровідника й металу, виникає е.р.с., якщо між кінцями цих матеріалів існує різниця температур. Величину  цієї е.р.с. можна визначити за формулою

де  - коефіцієнт термо-е.р.с., що визначається матеріалами ділянок ланцюга; Т1 і Т2 – відповідно температури першого й другого спаїв.

У напівпровіднику, де основними носіями є електрони, потік їх від гарячого кінця до холодного буде більше, ніж від холодного до гарячого. У результаті цього на холодному кінці буде накопичуватися негативний заряд, а на гарячому - залишатися нескомпенсований позитивний заряд. Електричне поле, яке виникне викличе потік електронів від холодного кінця до гарячого. Стаціонарний стан установиться при рівній кількості електронів на кінцях напівпровідника.

У  напівпровіднику, де основними носіями заряду є  дірки, позитивний потенціал виникає на холодному кінці. Таким чином,  за знаком термо-е.р.с. можна судити про тип електропровідності.

Ефект Пельт’є полягає в тому, що при проходженні струму через контакт двох різнорідних напівпровідників або напівпровідника й металу відбувається поглинання або виділення теплоти залежно від напрямку струму. Кількість поглиненої теплоти, або тієї, яка виділяється  в контакті, пропорційна значенню струму I, що протікає:

де  Qп – теплота Пельт’є; t – час проходження струму; П – коефіцієнт Пельт’є, що залежить від природи матеріалів які контактують, температури й напрямку струму.

Ефект Томпсона полягає у виділенні або поглинанні теплоти при проходженні струму в однорідному матеріалі, в якому існує градієнт температур. Наявність градієнта температур у напівпровіднику приводить до утворення термо-е.р.с. Якщо напрямок зовнішнього електричного поля буде збігатися з електричним  полем, що викликане термо-е.р.с., то не вся енергія підтримуюча струм , забезпечується  зовнішнім джерелом, частина роботи відбувається за рахунок теплової енергії самого напівпровідника. У результаті цього він охолоджується.

При зміні  напрямку зовнішнього електричного поля воно виконуватиме додаткову роботу, що приведе до  виділення теплоти додатково до теплоти Джоуля.

Теплота Томпсона  QT дорівнює

де  - коефіцієнт Томпсона. 

3.4 Фотопровідність  напівпровідників

Під впливом  падаючого на напівпровідник світла електрони одержують додаткову енергію. При цьому величина енергії, яка передається кожному електрону, залежить від частоти світлових коливань і не залежить від сили світла джерела випромінювання. Зі збільшенням сили світла джерела випромінювання збільшується число електронів, які поглинають енергію, але не енергія, одержувана кожним з них. Енергія фотона визначається виразом

де h –  постійна Планка;

- частота світлових коливань;

- довжина хвилі падаючого світла.

Фотопровідність напівпровідника визначається як різниця питомої електропровідності при освітленні й у темряві:

Темнова електропровідність визначається за формулою

Електропровідність, що виникає в напівпровіднику при впливі на нього світлового випромінювання, запишемо у вигляді

де  - додаткове число електронів, які утворилися в напівпровіднику внаслідок його опромінення.

Таким чином, фотопровідність буде дорівнювати

Електрони, які з'явилися під впливом випромінювання, перебувають у зоні провідності  короткий час (10^-3 – 10^-7с). При відсутності зовнішнього електричного поля вони  хаотично переміщуються в міжатомних проміжках. Під впливом поля  ці електрони беруть участь в електропровідності.

При завершенні  освітлення напівпровідника електрони  переходять на більше низькі енергетичні  рівні – домішкові або у  валентну зону.  Безперервне освітлення супроводжується встановленням динамічної рівноваги між процесами утворення  додаткових носіїв заряду і їхньої рекомбінації.

Зі зменшенням температури фотопровідність збільшується у зв'язку зі зменшенням  концентрації теплових носіїв заряду  й зменшенням імовірності рекомбінації носіїв заряду напівпровідника, що утворюються в результаті освітлення.

Вплив світла. Світлова енергія, що поглинається напівпровідником, викликає появу в ньому надмірної (порівняно з рівноважною для даної температури) кількості носіїв заряду, яка призводить до збільшення електропровідності. Явище збільшення електропровідності внаслідок дії електромагнітного випромінювання називається фотопровідністю.

Квантова  природа світла призводить до існування  довгохвильового краю фотопровідності. Енергія фотона (в еВ)

                                                 (3.7)

(l – довжина хвилі, мкм) витрачається у власному напівпровіднику на створення електронно-діркових пар за рахунок перекидання електронів з валентної зони в зону провідності. Тому існує гранична довжина хвилі lm, що визначається енергією кванта, достатньою для переходу електрона через заборонену зону напівпровідника (рис.3.4). Це й дозволяє визначити її ширину. Для випромінювання з l>lm напівпровідник прозорий, воно мало впливає на величину питомої фотопровідності.

Короткохвильове випромінювання з l<lф також слабо впливає на провідність напівпровідника, що обумовлено різким зростанням коефіцієнта поглинання Kn (рис.3.4). Зі збільшенням частоти електромагнітного випромінювання світло поглинається тонким шаром напівпровідника; весь об’єм залишається малопровідним; носії заряду, що генеруються на поверхні, легко рекомбінують, оскільки їх концентрація виявляється значною.

Швидкість зміни стану напівпровідника  визначається параметром t0 – часом життя нерівноважних носіїв. Він визначає швидкодію фотоелектричних напівпровідникових приладів і складає для різних матеріалів t0=0,1….104мкс.

Вплив сильного електричного поля. Електропровідність напівпровідників залежить від напруженості електричного поля (рис.3.5). При низьких значеннях (Е<Eк) витримується закон Ома – питома електропровідність не залежить від напруженості поля, а при вищих значеннях починається інтенсивне зростання провідності.