Температурная зависимость концентрации носителей заряда.

Рассмотрим Si легированной донорной примесью.

Отрезки 1-4 характеризует энергию ионизации примеси. Дальнейшее увеличение температуры приводит все электроны примеси в зону проводимости, а для своих валентных электронов энергии еще мало.

4-6-область истощения примеси.

6-9-область собственной электропроводности.

С увеличением концентрации примеси участки кривых смещаются вверх. Могут возникать уже примесные зоны из-за расщепления дискретных примесных уровней. Чем больше концентрация примеси, тем выше температура их истощения. При достаточно большой концентрации примесей, их энергия ионизации может обратиться в ноль, так как примесная зона будет перекрываться зоной проводимости. Такой полупроводник является вырожденным. Концентрация электронов в таком полупроводнике постоянная во всем диапазоне примесной электропроводимости (участки 3-8-9). Такой полупроводник называется полуметаллом. Температурная зависимость удельной проводимости похожа на температурную зависимость концентрации носителей.

Подвижность носителей заряда в полупроводниках

Под действием электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения. Отношение средней скорости к напряжению электрического поля называется подвижностью.

Различают подвижность электронов и дырок , .Плотность тока определяется как

I=

Удельная проводимость равна

В примесных полупроводниках одним из слагаемых пренебрегают. Как правило .

Подвижность носителей в полупроводниках может быть больше, чем в металлах. Большая подвижность может быть обусловлена малой массой носителя заряда и большим временем свободного пробега или временем релаксации (время уменьшения тока, после снятия электрического поля). Масса носителя может быть равна массе металла и больше. Время релаксации определяется частотой столкновений. Чем она больше, тем меньше .Частота столкновений в полупроводниках меньше, чем в металлах. В ионных кристаллах металла она больше, чем в атомных.

Электрофизические явления в полупроводниках.

1. Поглощение света, фотопроводимость.

Зависимость показателя поглощения от длины волны или энергии фотонов называется спектром поглощения вещества. В полупроводниках различают несколько механизмов оптического поглощения. Каждому из них соответствует определенная область спектра.

а) собственное поглощение (обусловлено переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Переходы могут быть прямыми (n и р имеют одинаковые квазиимпульсы) и непрямыми ( в каждом акте поглощения участвуют “n” и ”р” и фотон, который компенсирует разность импульсов “n” и ”р”).

По краю собственного поглощения может быть определена

h =h

зависит от температуры , b - температурный коэффициент (2- 6)·10^-4 эВ/К.

б) экситонное поглощение (поглощение сопровождающееся образованием особого возбужденного состояния электронов – экситонов (n + р)).

в) поглощение света носителями заряда (сопровождающееся переходами “n” и ”р” на более высокие уровни).

г) примесное поглощение света (сопровождающееся ионизацией или возбуждением примесных атомов).

д ) поглощение света кристаллической решеткой.

Полный спектр поглощения

полупроводника

Лишь собственное и примесное поглощения генерируют носители заряда и изменяют электрические свойства полупроводника. Поэтому эти механизмы называют фотоактивными. Изменение электрической проводимости полупроводника под воздействием излучения называется фотопроводимостью (фоторезистивный эффект).

Фотопроводимость количественно равна разности проводимости полупроводника на свету и в темноте:

К оличество пар носителей заряда генерированных одним поглощенным квантом называют квантовым выходом внутреннего фотоэффекта. В фотоэлектрически активной области =1. С возрастанием потока излучения фотопроводимость стремится к насыщению. Спектру оптического поглощения полупроводника соответствует спектральная зависимость фотопроводимости.

Фотопроводимость имеет большое практическое значение - военное дело, медицина, экологические приборы контроля.

2. Люминесценция

Люминесценцией называется электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Вещества, способные люминесцировать называются люминофорами (кристаллофосфорами если это кристаллы). Для ее наблюдения вещество нужно возбудить. При люминесценции акты возбуждения и излучения разделены во времени.

В зависимости от вида возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение светом), катодолюминесценцию - электронным лучом, электролюминесценцию - электрическим полем.

Фотолюминесценция подчиняется закону Стокса - Ломмеля (максимум спектра излучения всегда смещен по отношения к максимуму спектра поглощения в сторону больших длин волн). Однако стало известно, что при высокой плотности оптического возбуждения (лазером) может быть и наоборот (ИК излучение преобразуется в видимое). Такие люминофоры называются антистоксовскими.

Примесные атомы, ответственные за свечение называются активаторами люминесценции.

Различные виды люминесценции находят разнообразное практическое применение:

- преобразование невидимого излучения в видимое (лампы дневного света УФ переводят в видимое излучение).

- телевидение (катодолюминесценция), дисплеи компьютеров.

- светодиоды, полупроводниковые лазеры (в основе их работы лежит инжекционная электролюминесценция, которая возникает при включении р-n перехода в прямом направлении).

- транспаранты (светящиеся схемы, буквы и т.д.) - в основе лежит предпробойная электролюминесценция).

3. Термоэлектродвижущая сила

Как и в металлах в полупроводниках под действием разности температур возникает , которую называют термоэлектродвижущей силой. Большая термоэлектродвижущая сила полупроводников позволяет использовать их в качестве преобразователей тепловой энергии в электрическую. Основой являются термоэлементы, составленные из последовательно включенных полупроводников “p” и ”n”-типа. Обратный эффект, получил название эффекта Пельтье, используемый для изготовления термохолодильников.

4. Эффект Холла

Относится к классу гальваномагнитных. Суть его: если пластину полупроводника, по которой проходит электрический ток, поместить в магнитное поле, перпендикулярное току, то на боковых гранях пластины в направлении перпендикулярном току возникает (электродвижущая сила Холла). Используется для определения характеристик полупроводников (тип, , “n”) и концентрации носителей.

- приборы по измерению магнитной индукции, бесконтактные измерители тока.

- анализаторы спектра, модуляторы и т.д.

- фазочувствительные детекторы.

5. Эффект Ганна

Заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического поля при воздействии на полупроводник постоянного электрического поля высокой напряженности. Для GaAs пороговая напряженность поля Е 0,3 МВ/м. На этом эффекте разработаны приборы, генерирующие в диапазоне частот до сотен ГГц.