Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников

В сильных электрических полях нарушается пропорциональность между плотностью тока в полупроводнике и напряженностью внешнего электрического поля:

J = γ E, (3.10)

где J – плотность тока, γ- коэффициент пропорциональности, Е- напряженность внешнего электрического поля.

Рис. 3.10. Зависимость электропроводности от напряжения электрического поля.

Это является следствием физических процессов, вызывающих изменение удельной проводимости полупроводника. Напряженность поля, которую условно можно принять за границу между областью слабых 1 и сильных 2 полей (рис. 3.10.), называют критической Е_кр. Эта граница не является резкой и определенной и зависит от природы полупроводника, концентрации примесей и температуры окружающей среды. Для ряда ПП зависимость удельной проводимости от напряженности поля описывается выражением:

γ_Е =γ exp  √Е (3.11)

где γ- удельная проводимость полупроводника при Е< Е_кр,  - коэффициент, характеризующий полупроводник.

Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, т.к. под влиянием поля они более легко освобождаются тепловым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появиться механизм ударной ионизации, приводящий к разрушению структуры полупроводника.

  3.6. Токи в полупроводниках 3.6.1. Дрейфовый ток Электроны и дырки в кристалле находятся в состоянии хаотического теплового движения. При возникновении электрического поля на хаотическое движение накладывается компонента направленного движения, обусловленная действием этого поля. В результате электроны и дырки начинают перемещаться вдоль кристалла – возникает электрический ток, который называют дрейфовым.   Рис. 3.12.Перемещение заряженных частиц под действием электрического поля в полупроводнике   3.6.2. Диффузионный ток Причиной, вызывающей ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле, но и градиент концентрации подвижных носителей заряда. Если тело электрически нейтрально и в любой его микрообласти суммарный положительный и отрицательный заряд равен нулю, то различие в концентрациях носителей заряда в соседних областях не приведет к появлению электрического тока и электрических сил расталкивания, выравнивающих концентрацию. Но в соответствии с общими законами теплового движения возникнет диффузия микрочастиц из области с большей их концентрацией в область с меньшей, причем плотность диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда: J_{p диф} = - е D_p dp/dx, (3.11) Где D_p – коэффициент диффузии дырок, dp/dx – градиент концентрации дырок, “-” - указывает, что диффузионный дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок. J_{n диф} = e D_n dn/dx. (3.12) Отсутствие минуса говорит лишь о том, что направление электрического тока, принятого в электротехнике, противоположно направлению потока электронов, а этот поток также движется в сторону уменьшения концентрации. В общем случае в полупроводнике могут существовать и электрическое поле, и градиент концентрации носителей заряда. Тогда ток в полупроводнике будет иметь как дрейфовую, так и диффузионную составляющие. 3.7. Германий Существование и основные свойства германия проедсказал в 1870г Д.И.Менделеев, назвав его экосилицием. В 1886г немецкий химик Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который назвал германием. Германий оказался тождественным экосилицию. Открытие германия явилось торжеством Периодического закона Д.И.Менделеева. Германий относится к числу сильно рассеянных элементов, т.е. часто встречающихся в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольших количествах. Его содержание в земной коре составляет около 7·10^-4 %, что примерно равно природным запасам таких распространенных металлов, как олово и свинец и существенно превышает количество серебра, кадмия, ртути, сурьмы и др. Тем не менее, получение германия в элементарном виде вызывает большие затруднения. В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медносвинцовоцинковых руд. Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокой твердостью и хрупкостью, подобно кремнию, он кристаллизуется в структуру алмаза. Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагревании его до 650°С он окисляется с образованием двуокиси GeO₂. При комнатной температуре германий не растворяется в воде, соляной и разбавленной серной кислотах. Активные растворители – смесь азотной и плавиковой кислот. Германий обладает относительно невысокой температурой плавления - 936°С и ничтожно малым давлением насыщенного пара при этой температуре. Ширина запрещенной зоны при изменении температуры изменяется по линейному закону. Для изготовления полупроводниковых приборов применяют германий с определенными добавками электрически активных примесей. На основе германия выпускается широкая номенклатура приборов самого различного назначения и, в первую очередь, диодов и транзисторов. Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи от 0.3 до1000 А при падении напряжения не более 0.5 В. Недостатком германиевых диодов являются достаточно невысокие обратные напряжения. Германиевые транзисторы могут быть низко и высокочастотными (НЧ и ВЧ), мощными и маломощными. Германий используют также для создания лавинно-пролетных и туннельных диодов, варикапов, точечных ВЧ, импульсных и СВЧ-диодов. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом. Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда, германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов. Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз с большой светосилой, оптических фильтров, а также счетчиков ядерных частиц. Рабочий диапазон германиевых приборов от -60°С до +70°С.   3.8. Кремний В противоположность германию, кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре, где его содержится 29.5% по массе. По распространенности кремний занимает второе место после кислорода. Многочисленные соединения кремния входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина также представляют собой соединения кремния. Исходным сырьем при получении кремния является кремнезем, из которого кремний восстанавливают углеродосодержащим материалом в электрических печах. Кремний кристаллизуется в структуру алмаза с несколько меньшим, чем у германия периодом идентичности кристаллической решетки. Меньшие, чем у германия расстояния между атомами в решетке обуславливают более сильную ковалентную связь и, как следствие этого, более широкую запрещенную зону. В химическом отношении кремний является относительно инертным веществом. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами в любой концентрации. Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящих щелочах. Кремний устойчив на воздухе при нагревании до 900°С. Выше этой Т^° он начинает активно окисляться с образованием двуокиси кремния SiO₂. Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии отличается высокой химической активностью. Благодаря более широкой запрещенной зоне собственное удельное сопротивление кремния на три с лишним порядка превосходит собственное сопротивление германия. Кремний является базовым материалом при изготовлении планарных транзисторов и интегральных микросхем. Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, в общем объеме выпуска ПП изделий значительную долю составляют кремниевые дискретные приборы. Из кремния изготавливают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, НЧ и ВЧ, мощные и маломощные биполярные транзисторы, полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью. Рабочие частоты планарных транзисторов достигают 10 ГГц. Кремниевые плоскостные выпрямительные диоды могут выдерживать обратные напряжения до 1500 В, существенно превосходя по этим параметрам германиевые. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров. Кремниевые стабилитроны в зависимости от степени легирования материала имеют напряжение стабилизации от 3 до 400 В. Широкое применение в технике нашли кремниевые фоточувствительные приборы, особенно фотодиоды, отличающиеся высоким быстродействием. Для системы энергоснабжения космических аппаратов используются кремниевые солнечные батареи. Подобно германию, кремний используется для изготовления детекторов ядерных излучений, датчиков Холла и тензодатчиков. Благодаря более широкой запрещенной зоне, кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Верхний предел для них 180-200°С.   3.9. Полупроводниковые соединения типа А^IIIВ^V Соединения типа А^IIIВ^V являются ближайшими электронными аналогами германия и кремния. Они образуются в результате соединения элементов III группы Периодической системы (бора, алюминия, галлия и индия) с элементами V группы (азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой). Висмут и таллий не образуют соединений рассматриваемого ряда. Соединения А^IIIВ^V принято классифицировать по металлоидному признаку. Соответственно различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Многообразие свойств полупроводников типа А^IIIВ^V обуславливает их широкое применение в приборах и устройствах различного технического назначения. Особый интерес к этой группе материалов был вызван потребностями оптоэлектроники в быстродействующих источниках и приемниках излучения. Инжекционные лазеры и светодиоды на основе ПП А^IIIВ^V характеризуются высокой эффективностью преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение. Большой набор значений ширины запрещенной зоны у этих полупроводников позволяет создавать на их основе различные виды фотоприемников, перекрывающих широкий диапазон спектра. Среди них наибольшее распространение получили фотодиоды и фотоэлементы. Арсенид галлия (GaAs) потенциально является одним из лучших фоточувствительных материалов для применения в солнечных батареях. Антимонид индия (InSb) имеет важное техническое значение для изготовления приемников инфракрасного излучения. GaAs, InSb применяются для изготовления туннельных диодов. По сравнению с германиевыми диодами, приборы из арсенида галлия характеризуются более высокой рабочей температурой, а диоды из антимонида индия обладают лучшими частотными свойствами при низких температурах. Прогресс в технологии арсенида галлия, достигнутый за последние годы, открыл широкие перспективы применения этого материала для создания полевых транзисторов и быстродействующих интегральных схем. По сравнению с кремнием GaAs является более технологически сложным материалом. Однако совершенствование технологии различных процессов, разработка новых методов осаждения защитных слоев позволяют реализовать возможности GaAs в повышении степени интеграции и быстродействия ИМС.   3.9.1. Полупроводниковые соединения типа А^IIIВ^V Твердые растворы позволяют существенно расширить по сравнению с элементарными полупроводниками и ПП соединениями набор электрофизических параметров, определяющих возможности применения материалов в конкретных полупроводниковых приборах. Особый интерес к твердым растворам обусловлен возможностью плавного управления шириной запрещенной зоны полупроводников путем изменения их компонентного состава. Твердые растворы открывают широкие возможности создания гетеропереходов и приборов на их основе. Под гетеропереходом понимают контакт двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Решающим критерием при выборе материала контактной пары является соответствие периодов их кристаллических решеток и температурных коэффициентов их линейного расширения 3.10. Полупроводниковые соединения типа АIIВVI К соединениям этого типа относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды. Но окислы этих металлов сюда не входят. С ростом атомной массы во всех этих рядах уменьшается ширина запрещенной зоны и температура плавления соединений. Одновременно возрастает подвижность носителей заряда. Из всех соединений типа АIIВVI по масштабам применения выделяют сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS. Первый является основой для многих промышленных люминофоров, второй широко используется для изготовления фоторезисторов. Помимо сульфида кадмия для изготовления фоторезисторов, чувствительных к видимому излучению, испльзуют пленки и спеченные порошкообразные соли селенида кадмия CdSe. Узкозонные полупроводники типа АIIВVI представляют интерес для создания приемников ИК-излучения. Пленки из селенида и теллурида ртути применяют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла. Монокристаллы этих соединений используют в качестве рабочего тела полупроводниковых лазеров, возбуждаемых электрическим пучком.   3.11. Полупроводниковые соединения типа АIVВVI Среди полупроводниковых соединений этого типа наиболее изученными являются халькогениды свинца (PbS, PbSe, PbTe). Как узкозонные полупроводники они применяются в качестве детекторов ИК-излучений. Большой научный и практический интерес представляют твердые растворы на основе теллуридов свинца и олова. Одна из главных причин повышенного интереса к этим материалам связана с использованием их для изготовления фотоприемников с высокой спектральной чувствительностью в диапазоне "атмосферного окна" 8 - 14 мкм, которое соответствует максимуму излучения абсолютно черного тела при 300К. Перспективно использование твердых растворов для инжекционных лазеров в спектральном диапазоне до 30 мкм.

Дата добавления: 2014-01-03