Основные эффекты в полупроводниках и их 7.2. применение

7.2. Основные эффекты в полупроводниках и их
применение
С точки зрения применения в электротехнике к важнейшим относятся эффекты
выпрямления, усиления (транзисторный эффект), Холла, Ганна, фотоэлектрический,
термоэлектрический.
Электронно-дырочный p-n переход.
При приведении в
контакт двух
полупроводников, один из которых легирован донорной примесью ( n  область), а другой
– акцепторной примесью ( p  область), некоторые электроны диффундируют в p 
область, в которой уже часть электронов рекомбинирует с дырками, и в n  области на
границе раздела остаются положительные ионы донорной примеси (рисунок 9.9.а).
Аналогично некоторые дырки из p  области диффундируют в n -область, в которой уже
часть дырок рекомбинирует с электронами, и в p  области на границе раздела остаются
неподвижные отрицательные ионы акцепторной примеси.
Таким образом, вблизи границ двух полупроводников образуется область
пространственного заряда (ОПЗ), внутри которой существует электрическое поле ( Eопз ),
которое препятствует дальнейшему перемещению электронов в p  область и дырок в n 
область.
Как правило, одна из областей легируется намного сильнее другой (намного
больше концентрация примеси).
При прямом смещении (напряжении) к
p  области прикладывается
положительный потенциал, к n  области отрицательный потенциал, это приводит к
уменьшению Eопз и увеличению тока основных носителей заряда, например, дырок, если
намного сильнее легирована p  область. Это соответствует прямой ветви вольт-амперной
характеристики p  n перехода (рисунок 7.9.б), которая описывается выражением
J  J s  (e qU
kT
 1),
(7.5)
где J s - ток насыщения (при обратном включении p  n перехода этот ток равен
обратному току); U - приложенное напряжение; q kT  40 В-1 при комнатной
температуре. При обратном смещении к p  области прикладывается отрицательный
потенциал, к n  области положительный потенциал. Напряженность внутреннего поля
Eопз увеличивается, а ток основных носителей заряда уменьшается. Это соответствует
обратной ветви вольт-амперной характеристики.
Выпрямительными свойствами обладает лишь p  n переход и контакт
полупроводника с другими металлами. p  n переход представляет собой границу,
отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в
примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. В цепи с переменным
электрическим полем p  n переход работает как выпрямитель.
а
б
Рис. 7.9. Образование p  n перехода при контакте двух полупроводников - а) и вольтамперная характеристика p  n перехода – б)
Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС Холла на гранях
полупроводникового бруска с током, помещенного в магнитное поле. Величина ЭДС
Холла определяется векторным произведением тока I и магнитной индукции B. На
рисунке 9.10 изображен случай дырочного полупроводника.
Рис. 7.10 Эффект Холла в полупроводнике p  типа
Знак ЭДС Холла легко определить по правилу левой руки. Отогнув в сторону
большой палец, найдем направление смещения основных носителей заряда для данного
типа полупроводника. Рассчитывается ЭДС Холла так:
U х  Rх ( JB b),
(7.6)
где R х – постоянная Холла, R   A (nq) – для n  полупроводника, R  B ( pq) – для p 
полупроводника ( n и p концентрации электронов и дырок); A и B - коэффициенты,
значения которых от 0.5 до 2.0 для различных образцов. В сильных полях или для
вырожденных полупроводников A  B  1.0. Для монокристаллических образцов с
совершенной структурой A  B  3 8.
Постоянная Холла зависит от температуры (рисунок 7.11). В области низких
температур концентрация электронов дырок остается постоянной, что соответствует
области истощения примеси. В области собственной электропроводности ln(R) линейно
зависит от обратной температуры (кривые 1n, 3n и 6n ). Так как у акцепторного
полупроводника R  0, то с ростом температуры R уменьшается, проходит через нуль и
становится отрицательной. Температуры, при которой R  0 называют температурой
инверсии. Из кривых 2 p, 4 p, 5 p и 7 p следует, что температура инверсии, так же как и
температура перехода к собственной электропроводности, тем выше, чем больше
концентрация акцепторной примеси.
Рис. 7.11 Температурная зависимость постоянной Холла в антимониде индия для
образцов n  и p  типа: Концентрация доноров и акцепторов, см-3: 1n  4.3  1013 ;
2 p  4  1015 ; 3n  1.3  1016 ; 4 p  2.2  1016 ; 5 p  6  1016 ; 6n  1017 ; 7 p  2  1017.
Датчик ЭДС Холла – это элемент автоматики, радиоэлектроники и измерительной
техники, используемый в качестве измерительного преобразователя, действие которого
основано на эффекте Холла. Представляет собой тонкую прямоугольную пластину
(площадь – несколько мм2), или пленку, изготовленную из полупроводника (Si, Ge, InSb,
InAs), имеет четыре электрода для подвода тока и съёма ЭДС Холла. Чтобы избежать
механических повреждений, пластинки Холла ЭДС датчика монтируют (а пленку
напыляют в вакууме) на прочной подложке из диэлектрика (слюды, керамики). Для
получения наибольшего эффекта толщина пластины (плёнки) делается возможно
меньшей. Датчики ЭДС Холла применяют для бесконтактного измерения магнитных
полей (от 10-6 до 105 Э). При измерении слабых магнитных полей пользуются датчиками
ЭДС Холла, вмонтированными в зазоре ферро– или ферримагнитного стержня
(концентратора), что позволяет значительно повысить чувствительность датчика. Так как
в полупроводниках концентрация носителей зарядов (а, следовательно, и коэффициент
Холла) может зависеть от температуры, то в случае точных измерений необходимо либо
термостатировать датчик ЭДС Холла, либо применять сильнолегированные
полупроводники (последнее снижает чувствительность датчика).
При помощи Холла ЭДС датчика можно измерять любую физическую величину,
которая однозначно связана с магнитным полем; в частности можно изменять силу тока,
так как вокруг проводника с током образуется магнитное поле, которое можно измерить.
На основе датчика ЭДС Холла созданы амперметры на токи до 100 кА. Кроме того,
датчики ЭДС Холла применяются в измерителях линейных и угловых перемещений, а
также в измерителях градиента магнитного поля, магнитного потока и мощности
электрических машин, в бесконтактных преобразователях постоянного тока в
переменный, и, наконец, в воспроизводящих головках систем звукозаписи. По измерению
ЭДС Холла можно определить знак носителей заряда, рассчитать их концентрацию и
подвижность.
Эффект Ганна - относится к эффектам сильного поля и заключается в появлении
высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник
электрического поля высокой напряженности.
В полупроводниках, зона проводимости которых имеет более одного минимума
энергии, электрон с волновым вектором к, соответствующему одному из минимумов, при
рассеянии может оказаться в состоянии с волновым вектором к’, принадлежащим другому
минимуму. В результате такого рассеяния будет иметь место переброс электронов из
одного минимума в другой минимум зоны проводимости. Такой вид рассеяния получил
название междолинного. Междолинное рассеяние носителей заряда в определенных
условиях может приводить к возникновению колебаний тока с частотой порядка 1010 Гц
при приложении к однородному полупроводнику сильного постоянного электрического
поля.
Впервые эффект Ганна наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InP.
На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие в диапазоне частот до
сотен гигагерц.
Фотоэлектрический эффект. При облучении полупроводников светом в них
можно возбудить проводимость. Фототок с энергией hv большей или равной ширине
запрещенной зоны W0 переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости.
Образующаяся при этом пара электрон-дырка является свободной и участвует в создании
проводимости. На рисунке 7.12 показана схема образования фотоносителей в
собственном, донорном и акцепторном полупроводниках.
Таким образом, если hv  W0 — для собственных полупроводников, hv  W0 —
для примесных полупроводников, то появляются добавочные носители тока и
проводимость
повышается.
Эта
добавочная
проводимость
называется
фотопроводимостью. Основная проводимость, обусловленная тепловым возбуждением
носителей тока называется темновой проводимостью. Из приведенных формул можно
определить минимальную частоту v 0 или максимальную длину волны 0 , при которой
свет возбуждает фотопроводимость: 0  ch W0 .
Наиболее чувствительные фотосопротивления изготовляются из сернистого кадмия
(CdS) и сернистого свинца (PbS). Используются и другие полупроводниковые материалы.
Единственным материалом для интегральных датчиков является кремний.
Полупроводники используются, в том числе, и в оптоэлектронных устройствах:
светодиодах, лазерах, фотодетекторах (датчиках), солнечных батареях, фильтрах.
а
б
в
Рис. 7.12. Схема образования фотосистемы: а) - в собственном, б) - донорном и в)
акцепторном полупроводниках
Термо-ЭДС в полупроводниках, как и в металлах, возникает под действием
разности температуры. Эффект Зеебека, или термоэлектрический эффект заключается в
том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух различных полупроводников 1 и 2, места
соединений которых находятся при различных температурах (рисунок 7.13), возникает
электрических ток, носящий название термоэлектрического.
Рис. 7.13. Замкнутая цепь двух полупроводников
На концах такой разомкнутой цепи появляется разность потенциалов, которая
носит название термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС).
При неравномерном нагреве однородного полупроводника возникает градиент
средней энергии носителей заряда в различных частях кристалла (на горячем конце
больше высвобождается свободных носителей). Таким образом, от горячего конца
полупроводника к холодному устремляется поток основных носителей заряда и на
холодном конце накапливается заряд избыточных электронов (в полупроводнике n-типа)
или дырок (в полупроводнике р-типа), а на горячем некомпенсированный положительный
заряд ионизированных доноров или отрицательный заряд ионизированных акцепторов. В
полупроводнике возникает термоэлектродвижущая сила, по знаку которой можно
определить тип электропроводности материала.
Основой преобразователей тепловой энергии в электрическую являются
термоэлементы, составленные из последовательно включенных полупроводников p  и
n  типов. Большая термо-ЭДС полупроводников позволяет использовать их в качестве
эффективных преобразователей тепловой энергии в электрическую