Комнатных температурах

Параметр /* соответствует пороговому значению тока через диод, при котором уже возможна линеаризация зависимости B(iA). Для комнатных температур величина /* находится в пределах от 0,1...0,5 до 1'... ...2,5 мА и зависит от типа диода, параметров полупроводника, температуры.

зоны: низкотемпературную, полученную в интервале от комнатных температур до граничной температуры 7\, равной примерно 0,3 температуры плавления Тпл испаряемого вещества; промежуточную — между Т1 и Т2, где Т2 равна 0,45— 0,5ТПЛ; высокотемпературную — выше Т2.

Поскольку в диапазоне комнатных температур все атомы акцепторной примеси ионизированы (приняли дополнительный электрон), концентрация основных носителей в указанном рабочем диапазоне температур не зависит от температуры.

Для целенаправленного изменения свойств полупроводники легируют, т.е. вводят в небольшом количестве атомы примесей, позволяющие управлять типом электропроводности (электронный, дырочный) и удельной электрической проводимостью. Элементарные полупроводники — кремний, германий, а также алмаз принадлежат IV группе Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Каждый атом такого элементарного полупроводника имеет на внешней орбите по четыре валентных электрона, которые в тетраэд-рической кристаллической решетке (четыре ближайших соседа) образуют заполненные ковалентные связи. При введении в такой полупроводник примесных атомов V группы— фосфора (Р), мышьяка (As) или сурьмы (Sb) —атом примеси замещает атом полупроводника. Например, для фосфора в кремнии четыре из пяти валентных электронов фосфора образуют с сеседними четырьмя атомами кремния ковалентные связи, а энергия связи пятого электрона, равная энергии ионизации, оказывается малой и составляет сотые доли электрон-вольта. Поэтому уже при температурах более 100 К такие электроны покидают примесные атомы (говорят, что примесь полностью ионизована) и становятся электронами проводимости, полупроводник имеет преобладающую электронную проводимость я-типа. Легирующую примесь такого сорта называют донорной, а атомы — донорами. В диапазоне комнатных температур каждый донор дает свободный электрон в зону проводимости, а сам становится положительно заряженным ионом. Это сдвигает термодинамическое равновесие: дырок становится меньше, чем в собственном полупроводнике, а электронов больше, В полупроводнике я-типа электропроводности электроны называют основными носителями, а дырки -—неосновными носителями заряда.

От температуры также существенно зависит такой важнейший параметр лазера, как плотность порогового тока. На 5.33 показана температурная зависимость плотности порогового тока /пор для инжек-ционных лазеров различных типов. Для лазеров на основе диффузионных или эпитаксиальных р-п переходов /П0р в области комнатных температур могут отличаться в несколько раз и составляют (2—5) • 104 А/см2 (кривые /, 2). Это не позволяет, в частности, получить для таких лазеров непрерывную генерацию при комнатной температуре. Снизить /„OP (кривые 3, 4) и существенно улучшить эффективность инжекционных лазеров удалось при переходе к гетерогенной структуре р-п перехода.

Поскольку в диапазоне комнатных температур все атомы акцепторной примеси ионизированы (приняли дополнительный электрон), концентрация основных носителей в указанном рабочем диапазоне температур не зависит от температуры.

Для эталонных резисторов и резисторов с большой мощностью рассеяния широко используются сплавы высокого сопротивления. Типичным сплавом для изготовления эталонных резисторов является манганин, состоящий из Си (85%), Мп (12%) и Ni (3%). Этот сплав выпускается двух марок: МНМцЗ-12 и МНМцАЖЗЗ-12-0,3-0,3. Свое название манганин получил от латинского слова manganum (марганец). Вследствие присутствия в сплаве марганца зависимость электрического сопротивления манганина от температуры имеет максимум вблизи комнатных температур и его удельное сопротивление в диапазоне температур от -100 до 100 °С меняется очень мало. Стабильность же свойств манганина во времени достигается путем специальной термической обработки (табл. 16.11).

центрацию носителей в полупроводнике легированием или отклонением состава материала от стехиометрического; б) подвижность невырожденных носителей заряда Цо", в) эффективная масса т; г) параметр рассеяния г, который входит в выражение, связывающее время релаксации т носителей с их энергией Е, т. е. т = то?Г; д) теплопроводность решетки КреШ; е) ширина запрещенной зоны Eg. Величина г зависит от механизма рассеяния, преобладающего в полупроводнике. При температурах, близких к комнатным, в термоэлектрических материалах обычно доминирует рассеяние на акустических фононах. В этом случае г = -0,5. Проявляется также рассеяние на ионизированных примесях (г = 3/2). Существенно, чтобы термоэлектрические материалы работали в области примесной проводимости, потому что присутствие (в случае смешанной проводимости) носителей второго знака создает встречную термоЭДС. Это снижает величину а. Носители второго знака вызывают также дополнительный перенос тепла электронно-дырочными парами, т. е. повышают к. В результате величина Z снижается, поэтому надо, чтобы ширина запрещенной зоны была достаточно велика. Оценка показывает, что примесная проводимость реализуется при величине EJkT > 8 (при 300 К Eg > 0,2 эВ). Основные параметры термоэлектрических материалов а, ст, к связаны с отмеченными выше фундаментальными параметрами сложным образом. Для упрощения анализа вводят ряд предположений: рассматривают параболическую зону (энергия носителей пропорциональна квадрату волнового вектора), считают, что подвижность, эффективная масса и параметр рассеяния не зависят от концентрации носителей и имеет место примесная проводимость. Если при этом в соотношении Z = а2о/к выразить входящие в правую часть равенства величины через фундаментальные свойства, то окажется, что величина Z определяется приведенным уровнем Ферми и параметром р, который при данном г и достаточно большом Eg вбирает в себя остальные вышеотмеченные фундаментальные свойства: Р = {До/я^Т^/Креш- На 1 представлена зависимость ZT от <;* при разных значениях Р и при г = -0,5 [2]. Из 1 видно, что чем больше р, тем больше ZT. Для каждого р имеется максимум ZT, соответствующий определенному значению приведенного уровня Ферми. Обычно термоэлектрические материалы имеют значение ZT = 0,7-1,0 в области комнатных температур. В этом случае приведенный уро-

В последующие годы (и до настоящего времени) велись работы по уточнению состава твердых растворов с учетом температурных и концентрационных зависимостей всех основных фундаментальных физических параметров, определяющих величину Z. Это привело к некоторому ее повышению. Например, по данным Л.Н. Лукьяновой, В.А. Кутасова и П.П. Константинова [9] в области комнатных температур наблюдались более высокие значения Z = 3,3-Ю^КГ1 в сложном твердом растворе

элементами Эттингсгаузена от комнатных температур [ПО]

IV.25. Зависимость перепада температуры от тока через термоэлемент Эттингсгаузена из висмута при охлаждении от комнатных температур:

Другими соединениями, используемыми в легировании эпитаксиальных структур элементарных полупроводников с концентрацией фосфора, мышьяка и бора в интервале 1014— 1019 атом/см3 и сурьмы — до 5-Ю18 атом/см3, являются га-логениды элементов III и V групп периодической системы: РС1з, AsCls, SbCl3, ВС1з, ВВг3 и др. Будучи жидкими при комнатных температурах, они обладают высоким давлением паров при низких температурах, что создает хорошие условия для дозированной подачи их в реактор. Для этого галогениды помещают в отдельный испаритель, входящий в газораспределительную систему установки эпитаксиаль-ного наращивания слоев элементарных полупроводников. Крышка испарителя снабжена капиллярной трубкой, обеспечивающей диффузионный поток парогазовой смеси, образующейся в испарителе при пропускании через него несущего газа, например водорода. В таких условиях количество диффундирующего через капилляр вещества прямо

При низких температурах объемная проводимость твердых диэлектриков может целиком определяться примесями и дефектами структуры. При повышенных температурах, ток утечки может определяться переносом ионов основного вещества диэлектрика. Для облегчения понимания особенностей ионной электропроводности твердых диэлектриков рассмотрим явления, наблюдающиеся при прохождении постоянного тока через кристалл каменной соли, который взят как самый простой и наглядный пример. Ионный характер электропроводности в данном случае предопределяется соотношениями энергий активации ионов и электронов: потенциал активации ионов натрия равен 0,85 В, ионов хлора 2,55 В, а электронов 6 В (при комнатных температурах). Заметная электронная электропроводность в каменной соли может быть обусловлена наличием некоторых примесей и действием ионизирующих излучений, приводящих к отрыву электронов от ионов. В обычных условиях при комнатной температуре подвижность наиболее слабозакрепленных в решетке ионов натрия еще настолько мала, что срыва их электрическим полем из узлов решетки при нормальной ее структуре не происходит. Наблюдающаяся при этом очень малая проводимость носит примесный характер.

Пропиточные полимерные компаунды при комнатных температурах обычно пред-6 в ю 12 ставляют собой вязкие жидко-

Если учесть соотношения (1.19), а также практически полную ионизацию примесей при комнатных температурах, то (3.1) можно привести к виду

Так как пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от обратного тока через диод при температуре окружающей среды, то в диодах с большими обратными токами даже при комнатных температурах создаются условия для теплового пробоя и он наступает раньше чем лавинный пробой. Это справедливо, в частности, для германиевых диодов. И наоборот, в кремниевых диодах из-за значительно меньших обратных токов напряжение теплового пробоя получается настолько боль-

Кристаллический кремний при комнатных температурах обладает невысокой реакционной способностью; он весьма устойчив на воздухе, покрываясь тонкой пленкой диоксида кремния. Кремний

Физические явления, сопровождающие фотоэффект полупроводников, отличаются большей сложностью. Энергию фотона могут поглощать в полупроводнике не только электроны в зоне проводимости, но и электроны примесей, а также электроны валентной зоны. При комнатных температурах концентрация электронов в зоне проводимости .низка п поэтому фототек за счет этих электронов мал. Фотоэмиссия возрастает, если энергия фотона оказывается достаточной для выхода электронов с примесных уровней. При увеличении энергии кванта возникает значительная эмиссия за счет электронов валентной зоны, которые образуют большую часть фототока.

Понятно,' что коэффициент поглощения а0 в случае примесного поглощения существенно зависит от температуры. При комнатных температурах мелко залегающие уровни примеси почти все термически ионизированы, поэтому вероятность примесного пог-ЛОЩеНИЯ фОТОНОВ НОВ9ЛИКа; ПРИ бОЛее НИЗКИХ ТёМПёратурах интенсивность примесного поглощения увеличивается.

Положение меняется, если концентрация примеси такова, что расстояние между ионами примеси а~УУ^/! сравнимо или меньше /. Электрон подвергается воздействию ку-лоновского поля иона, изменяет направление своего движения и проходит в направлении силовой линии поля путь, меньший, чем ранее, а поэтому значение [г уменьшается. Эти эффекты начинают играть роль при концентрации ионов Лг>1015 см~я (при комнатных температурах). Характерной особенностью как решеточного, так и ионного рассеяния является то, что эти виды рассеяния одинаково влияют на подвижность ji и коэффициент диффузии D носителей заряда, что количественно выражается в соблюдении соотношения Эйнштейна D = \ikT/q.

Напряжение теплового пробоя тем ниже, чем больше тепловой обратный ток. В р-л-переходах с большими обратными токами, в частности германиевых, даже при комнатных температурах тепловой пробой может наступать раньше, чем лавинный. В кремниевых р-л-переходах обратные токи значительно меньше и напряжение теплового пробоя получается настолько большим, что раньше наступает лавинный пробой. Однако при высоких температурах окружающей среды тепловой пробой наблюдается и в кремниевых p-n-переходах; пробои может начаться как лавинный, а затем при увеличении обратного тока перейти в тепловой.

Физические явления, сопровождающие фотоэффект полупроводников, отличаются большей сложностью. Энергию фотона могут поглощать в полупроводнике не только электроны в зоне проводимости, но и электроны примесей, а также электроны валентной зоны. При комнатных температурах концентрация электронов в зоне проводимости .низка п поэтому фототек за счет этих электронов мал. Фотоэмиссия возрастает, если энергия фотона оказывается достаточной для выхода электронов с примесных уровней. При увеличении энергии кванта возникает значительная эмиссия за счет электронов валентной зоны, которые образуют большую часть фототока.