Полупроводников определяется

Очень большое значение в полупроводниковых приборах имеют контакты металл—полупроводник, ибо именно через эти контакты полупроводниковые приборы подключаются в электрическую схему. При этом также возникают контактные явления, так как трудно подобрать контактирующую пару металл—полупроводник с одинаковыми работами выхода и обеспечить таким образом невыпрямляющий электрический контакт. В общем случае при контакте металла с полупроводником происходит диффузия электронов из материала с меньшей работой выхода WM в материал с большей работой выхода W6 и на контакте возникает контактная разность потенциалов: Ек = (W6 — WM)/e0, которая приводит к появлению в зоне контакта электрического поля и возникновению в приконтактной зоне полупроводника слоя обедненного или обогащенного носителями заряда. В ряде случаев может даже возникнуть слой с инверсной проводимостью. В частности, если работа выхода металла меньше работы выхода полупроводника, то электроны будут переходить из металла в полупроводник. При этом, если полупроводник имеет п-прово-димость, то в приконтактной зоне образуется обогащенный электронами слой (я+-слой) с высокой проводимостью. Такого типа контакт металл—полупроводник «-типа называется переходом Шоттки и широко используется в полупроводниковой электронике, поскольку он обеспечивает хороший незыпрямляющий контакт с полупроводниковым прибором. Если металл контактирует с полупроводником р-типа, то в полупроводнике возникает обедненный носителями заряда слой (и даже — инверсный, с п-прово-димостью слой, если работа выхода из металла существенно

Пусть по каким-либо причинам концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в различных его точках неодинакова и в какой-либо части образца будет избыток носителей -+- Др; -)- Д п. Если при этом тело образца электрически нейтрально и в любой его микрообласти сумма положительного и отрицательного зарядов равна нулю, то в соответствии с общими законами теплового движения в полупроводнике возникает диффузия микрочастиц из области большей их концентрации в область с меньшей концентрацией. Так как диффундирующие микрочастицы несут заряд, то в результате диффузии в полупроводнике появится электрический ток. 'Этот ток называется диффузионным ( 3.3). В общем случае в полупроводнике могут существовать и электрическое поле, и неравномерная концентрация носителей заряда. Тогда ток, протекающий в полупроводнике, будет иметь как дрейфовую, так и диффузионную компоненты /Р = /р диф + /р др; /„ =/пдиф + Л. ДР.

ром в полупроводнике возникает канал. Из-за несимметрии расположения металлического электрода относительно диффузионных областей каждая вторая диффузионная область оказывается под большим отрицательным потенциалом, что обеспечивает направленное движение дырок из одной диффузионной области в следующую, т. е. в более глубокую потенциальную яму ( 6.18, в).

При Е ж 108...1()9 В/м в полупроводнике возникает эффект Штарка — расщепление энергетических уровней, приводящее к уменьшению ширины запрещенной зоны. В связи с этим уменьшается энергия, необходимая электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Возрастает роль температурного воздействия на полупроводник: с увеличением температуры увеличивается количество свободных электронов, возрастает электропроводность.

где е — заряд электрона; V — скорость движения электрона. Эта сила направлена перпендикулярно к направлению движения электронов и магнитного поля (правило левой руки) и отклоняет электроны к переднему краю пластинки. Благодаря накоплению электронов на переднем крае пластинки он заряжается отрицательно ( 2.12, отрицательный потенциал точки 4), а противоположный край обедняется электронами и приобретает заряд, соответствующий заряду освобожденных ионов кристаллической решетки, т. е. положительный ( 2.12, потенциал точки 5). Вследствие этого в полупроводнике возникает поперечное холловское электрическое поле (направленное от заднего края пластинки к переднему), препятствующее отклонению электронов под действием силы Лоренца.

Обратимся снова к процессам в области р — «-перехода при обратной разности потенциалов. При больших значениях обратного потенциала наблюдается резкое возрастание тока — происходит электрический пробой р — «-перехода. Причинами пробоя могут быть различные физические явления, основными из которых являются: туннельный эффект, ударная ионизация и тепловой пробой. Туннельный эффект состоит в «просачивании» электронов через потенциальный барьер, существующий в запорном слое р — «-перехода. Вероятность такого просачивания тем больше, чем тоньше запорный слой и чем больше электрическое поле, действующее в слое. Физически эффект состоит в образовании пар электрон — дырка под действием сильного электрического поля в области запорного слоя. Образовавшиеся носители заряда — электроны, вырванные из валентных связей электрическим полем, и возникшие при этом дырки резко увеличивают ток через р — n-переход. Ударная ионизация в полупроводнике возникает в результате того, что под действием электрического поля в запорном слое неосновные носители ускоряются до энергии, достаточной для ионизации атомов кристаллической решетки. Образовавшийся при этом парный заряд также увеличивает ток через переход.

ЭТОМ тело образца электрически ней- 3.3. Возникновение диффу-трально И В любой его микрообласти знойного тока в полупроводнике с сумма положительного и отрицатель- избь™"°и к«Радией "одного зарядов равна нулю, то в соответствии с общими законами теплового движения в полупроводнике возникает диффузия микрочастиц из области большей их концентрации в область с меньшей концентрацией. Так как диффундирующие микрочастицы несут заряд, то в результате диффузии в полупроводнике появится электрический ток. Этот ток называют диффузионным ( 3.3). В общем случае в полупроводнике могут существовать и электрическое поле, и неравномерная концентрация носителей заряда. Тогда ток, протекающий в полупроводнике, б!удет иметь как дрейфовую, так и диффузионную компоненты:

При контакте сверхпроводника с вырбждённым полупроводником р-типа проводимости в полупроводнике возникает изгиб зон. При соответствующем подборе разности работ выхода при низких температурах можно обеспечить условия, когда взаимный туннельный переход электронов при малых смещениях невозможен. Уровень Ферми в сверхполупроводнике расположен в середине энергетической щели. Электроны в нем имеются только в состояниях ниже уровня Ферми на величину половины ширины щели Д. В полупроводнике же все состояния ниже уровня Ферми заняты электронами, так как он вырожден. Поэтому туннелирование может начаться только при подаче к такой структуре смещения порядка A/q. Вольт-амперная характеристика в этой области смещений оказывается существенно нелинейной. Такие структуры могут быть использованы для детектирования и усиления в СВЧ диапазоне.

уровнем Ферми в металле и энергией дна зоны проводимостк полупроводника на границе раздела металл — полупроводник возникает энергетический барьер Фв. Этот барьер, препятствующий перемещению электронов из металла в полупроводник, называется барьером Шоттки. Величина Фв определяется сочетанием металла и полупроводника. В настоящее время еще не до конца выяснен физический механизм возникновения барьера Шоттки. Для кремния и GaAs величина Фв незначительно зависит от природы металла и почти полностью определяется полупроводником. Это объясняется тем, что на границе раздела в полупроводнике возникает большое количество дефектов и уровень Ферми соответствует энергетическому положению этих дефектов. Реальное значение Фв варьируется в некоторых пределах в зависимости от технологии изготовления контакта, как показано в табл. 3.1.

Сравнительно недавно появились приемники, работающие на основе фотомагнитоэлектрического (ФМЭ) эффекта, который заключается в том, что при наложении магнитного поля перпендикулярно к направлению распространения излучения, падающего на поверхность полупроводника и вызывающего э. д. с. в направлении его распространения, в полупроводнике возникает дополнительная э. д. с, перпендикулярная одновременно направлениям магнитного поля и распространению излучения. Исследования ФМЭ эффекта велись для ряда веществ (Ge, InSb, InAs, PbS, CdS). Спектральные характеристики у этих приемников очень мало отличаются от спектральных характеристик фотодиодов или фотосопротивлений, изготовленных из тех же веществ. Было установлено [25], что зависимость напряжения на выходе ФМЭ-приемника от индукции магнитного поля Вм выражается как

Электропроводность электронных полупроводников определяется свободными электронами, которые здесь являются основными носителями заряда. Дырок здесь очень мало, они образуются за счет термогенерации подобно собственным носителям в беспримесном .полупроводнике. В результате оказывается, что количество свободных электронов практически равно количеству ионизированных доноров.

Анализ уравнений (4.103) показывает, что плотность дислокаций в монокристаллах полупроводников определяется величиной как градиентов температуры, так и порождаемых ими термоупругих напряжений. Последние могут достигать значений, вызывающих даже растрескивание монокристаллов полупроводников большого диаметра при охлаждении их до комнатной температуры. Это часто встречается при выращивании монокристаллов разлигающихся полупроводниковых соединений, например арсенида и фосфида галлия, методом жидкостной герметизации (см. 4.1, г). В этом случае вследствие интенсивного отвода тепла от монокристалла окружающим его сжатым газом градиенты температуры в 4 — 5 раз больше, чем в случае выращивания монокристаллов в вакууме или при низком давлении инертного газа.

Таким образом,, электропроводность полупроводников определяется концентрацией и подвижностью носителей заряда. Следова-

Процесс проводимости полупроводников определяется движением носителей зарядов внутри молеку-• лы и их переходами от молекулы к молекуле.

ция носителей весьма резко зависит от температуры и температурная зависимость их проводимости практически полностью определяется температурной зависимостью концентрации носителей. При данной температуре концентрация носителей заряда и проводимость собственных полупроводников определяется шириной их запрещенной зоны. Это наглядно видно и^ данных табл. 7Л, в которой приведена ширина запрещенной зоны и удельное сопротивление элементов IV группы таблицы Д. И. Менделеева, имеющих решетку типа алмаза. С уменьшением ширины запрещенной зоны с 1,12 (кремний) до 0,08 эВ (серое олово) удельное сопротивление при комнатной температуре уменьшается на 9 порядков.

Большинство электронных свойств аморфных полупроводников определяется не только особенностями локальной атомной структуры, но и взаимодействием достаточно удаленных один от другого атомов. Для исследования эффектов дальних взаимодействий применялись мно-

Большинство электронных свойств аморфных полупроводников определяется не только особенностями локальной атомной структуры, но и взаимодействием достаточно удаленных один от другого атомов. Для исследования эффектов дальних взаимодействий применялись мно-

Практическое использование некристаллических полупроводников определяется особенностями их структуры, свойств, химической стойкостью и механической прочностью, а также технологичностью их обработки и возможностью получения материалов с заданными свойствами. Некоторые устройства регистрации оптических изображений удалось создать только благодаря использованию некристаллических полупроводников. К таким устройствам относятся, например, телевизионные трубки типа «видикон», электрофотографические приборы и регистрирующие среды типа «халькоге-нидный стеклообразный полупроводник (ХСП) — термопластик».

Спектральная чувствительность фотоприемников в УФ области спектра определяется многими факторами, главный из которых — ширина запрещенной зоны используемого полупроводника. С этой точки зрения наиболее перспективны материалы с Eg ^ 3 эВ. Однако круг применяемых полупроводников определяется не только значением Eg. Необходимо учитывать такие факторы, как коэффициент отражения и коэффициент преломления материала в УФ области спектра, состояние поверхности, ее дефектность и др. При выборе исходного полупроводника важную роль играет уровень разработки технологии его получелия. Требование высокой фоточувствительности в УФ области спектра определяет и особенности конструкции- фотоприемников данного типа. Для изготовления УФ фотоприемников -используются кремний, широкозонные соединения А3—В5 и А2—В6, карбид кремния и слоистые соединения.

В первом случае электропроводность обусловлена электронами — частицами, несущими отрицательный (negative) заряд, поэтому такие полупроводники называются полупроводниками п-типа, а атомы примеси, снабжающие кристалл избыточными электронами, называются донорами. Во втором случае электропроводность полупроводников определяется дырками, несущими положительный (positive) заряд, и они называются полупроводниками р-типа, а примесные атомы, поставляющие дырки, — акцепторами.