Реферати українською » Физика » Властивості напівпровідників в сильних електричних полях


Реферат Властивості напівпровідників в сильних електричних полях

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

Державне освітнє установа

>ВПО «Уральський державний технічний університет –УПИ»

Кафедра «>Радиоелектронние і телекомунікаційні системи»

>Реферат

з дисципліни «Фізичні основи електроніки»

>СВОЙСТВАПОЛУПРОВОДНИКОВ УСИЛЬНЫХЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

Викладач ФілатоваТ.И.

СтудентЛюбезних С.А.

Єкатеринбург 2010


>СОДЕРЖАНИЕ

Поняття напівпровідника

>Наклон енергетичних зон в електричному полі

Відступ від ухвалення закону Ома

Вплив напруженості поля на рухливість носіїв заряду

Вплив напруженості поля на концентрацію заряду

Ефект Ганна

Література


>ПОНЯТИЕПОЛУПРОВОДНИКА

 

Усі речовини поелектрофизическим властивостями можна розділити втричі великих класу: провідники, напівпровідники і діелектрики.Полупроводник – це хімічна речовина, електропровідність якого займають проміжне становище між провідниками ідиелектриками, основним властивістю цієї речовини є сильна залежність удільної провідності від впливу зовнішніх чинників (температура, концентрація домішок, світлове і іонізуюче випромінювання і електричного поля.).

>НАКЛОНЭНЕРГИТИЧЕСКИХ ЗОН УЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛІ

 

Рух електрона в зовнішньому електричному полі можна показати до картини зон. По горизонтальній осі відкладемо координату x електрона, а, по вертикалі - значення енергії електрона Еге під час руху їх у періодичному полі частинок кристала. Енергетичні рівні зобразимо горизонтальними лініями.

Рухаючись в електричному полі, електрон змінює і свій координату, та енергію, переходячи з однієї рівня в інший (мал.1 а). У цьому кінетична енергія його поповнюється величинуeU (де U - пройдена електроном різницю потенціалів), а потенційна енергія поповнюється таку ж величину, оскільки повна енергія не змінюється.Накопленную енергію електрон може втратити при розсіянні, повернувшись більш низький рівень (електрон 1).

Іноді зручніше відкладати по вертикальної осі повну енергію електрона з урахуванням зовнішнього електричного поля. Тоді рух електрона варто вдавати горизонтальній лінією, а енергетичні рівні - похилими (мал.1 б).Тангенс кута нахилу енергетичних рівнів у своїй виявляється пропорційним напруженості електричного поля. Відхилення рівня з його становища, відповідного відсутності електричного поля, пропорційно електричному потенціалу, т. е. хід рівнів повторює хід електричного потенціалу. Енергетичні рівні, відповідні визначеному значенням повної енергії електрона, залишаються горизонтальними.

ВІДСТУП ВІД ЗАКОНУОМА

У сильних електричних полях порушується пропорційність між щільністю струму вполупроводнике і напруженістю зовнішнього електричного поля.

E - напруженість поля [>В/м];

g - провідність [>1/Омм]

Це є наслідком фізичних процесів, викликають зміна удільної провідності напівпровідника.


>Напряженность поля, що можна умовно б сприйняти як межу між областю слабких I і сильних II полів, називають критичноїЕкр (рис. 2).

Цей кордон перестав бути різкій і визначеної і залежить від природи напівпровідника, концентрації домішок і температури довкілля.

Для з'ясування фізики явища зміни удільної провідності напівпровідника від напруженості поля розглянемо попередньо вплив поля окремо на рухливість і концентрацію носіїв заряду обсягом напівпровідника.

ВПЛИВНАПРЯЖЁННОСТИ ПОЛЯ НАПОДВИЖНОСТЬНОСИТЕЛЕЙЗАРЯДА

 

Для спостереження закону Ома необхідно, щоб рухливість носіїв заряду та його концентрація не від напруженості електричного поля.

Незалежність рухливості визначаєтьсяпренебрежимо малим зміною теплових швидкостей носіїв заряду вполупроводнике, котрий у електричному полі, від напруженості поля.

Швидкість носіїв заряду - величина векторна й у електричному полі може змінюватися як її абсолютне значення, і напрям.

де U - теплова швидкість,

V - швидкість дрейфу,

U 0- швидкість носіїв заряду.

У сфері слабких полів, коли справедливий закон Ома, вплив поля була в основному зводиться зміну лише напрями швидкостей носіїв заряду. При досить великий напруженості поля прирощення абсолютного значення швидкості, одержуване за довжиною вільного пробігу носіїв заряду, стане можна з початковим значенням теплової швидкості, т. е. V = U.

Відповідно до вираженням для рухливості носіїв заряду:

де le - середня довжина вільного пробігу,

U - середня теплова швидкість,

>m* - ефективна маса носіїв заряду.

Це повинно призвести до зменшенню часу вільного пробігу і зміні рухливості носіїв заряду. Отже, критерієм слабкого поля є виконання нерівності V << U.

>Добавочная кінетична енергія,приобретаемая носіями заряду під впливом електричного поля, визначається твором:

Умова слабкого поля можна записати як зіставленняЭдоп з енергією теплового руху частинок:

де le- середня довжина вільного пробігу, le = L.e

>Приравнивая обидві складові енергії, оцінимо критичну напруженість поля, коли він можливі суттєві відхилення від ухвалення закону Ома:

Беручи le = 10-8 метрів і T =300К > Є>кр= 106В/м.

Вплив сильного поля зміну рухливості носіїв заряду залежить від механізму розсіювання. Що стосується розсіювання на теплових коливаннях вузлів ґрати le залежить від швидкості носіїв заряду. Томуm ~1/U0(E), т. е. рухливість падатиме зі збільшенням напруженості поля. При розсіянні на іонізованихпримесях le ~ U04; це означає, щоm ~ U03(E) (рис 3).

Т. про., у сфері сильних полів рухливість носіїв заряду може рухатися як убувати, і зростати зі збільшенням напруженості електричного поля E.

Насправді, проте, які завжди вдається спостерігати зменшення провідності напівпровідників у сильному електричному полі внаслідок зниження рухливості носіїв заряду. Це тим, що у вона найчастіше зростання напруженості поля призводить до значного збільшення концентрації носіїв заряду.

ВПЛИВНАПРЯЖЁННОСТИ ПОЛЯ НАКОНЦЕНТРАЦИЮЗАРЯДА

 

При напруженості електричного поля більш 106В/м вполупроводнике починають з'являтися надлишкові носії заряду і провідність його зростає. Розрізняють кілька механізмів збільшення концентрації носіїв.

>Термоелектронная іонізація.


Зовнішнє електричне полі змінює вид потенційних бар'єрів між атомами кристалічною ґрати. Якщо зовнішнє полі відсутня, то кристалі між атомами діє періодичне полі, вид якого одній осередки показаний пунктирною гіперболічної кривою (рис.4). Під впливом сильного поля кілька зменшується висота потенційного бар'єра для електронів у бік, протилежному напрямку поля. Якщо аналізований бар'єр належить допримесному атома, наприклад, донору, то зменшення енергії іонізації на величинуdЭ призведе до збільшення концентрації електронів у зоні провідності

Незначні зміниdЭ викликають істотні зміни концентрації носіїв заряду.Рассматриваемий ефект проявляється при 106В/м, а теорія розвинена П. І. Френкелем.

Ударне іонізація.

Вільний електрон, прискорюючись під впливом великий напруженості електричного поля на довжині вільного пробігу, може нагромадити енергію, достатню для іонізації домішки чи власного атома напівпровідника.Ионизацию можуть викликати й дірки, оскільки рух дірок є лише способом описи руху сукупності електронів валентною зони напівпровідника.

Кількісно процес ударної іонізації характеризується коефіцієнтами ударної іонізації, які чисельно рівні кількості пар носіїв заряду, утвореним первинним носієм на одиниці шляху. За аналогією з теорією електричного розряду в газах, коефіцієнти ударної іонізації в напівпровідниках позначають an і a>p. Коефіцієнти ударної іонізації дуже залежить від напруженості електричного поля. Для практичних розрахунків часто користуються емпіричнуаппроксимацией

деm = 5 ~ 8 (залежить від матеріалу), A =const.

Тунельний ефект (чиелектростатическая іонізація).

>Сильному електричному полю в провіднику відповідає великий нахил енергетичних зон (див. мал.5). У умовах електрони можуть переходити крізь вузький потенційний бар'єр (завтовшкиDх) без зміни своєї енергії -туннелировать завдяки своїмквантово-механическим властивостями. Т. до. процес тунелювання відбувається внаслідок переходу електронів з валентної зони до зони провідності, цей процес вважатимуться аналогічнимавтоелектронной емісії чи холодної емісії електронів з металу.


Можливість переходу електронів з валентної зони до зони провідності і, навпаки, із зони провідності в валентну зону сама й той самий. Але перехід електронів з валентної зони переважає, оскільки з їхньою там значно більше, ніж у зоні провідності. Тому концентрація носіїв заряду росте при тунелюванні.

Тунельний ефект в напівпровідниках проявляється за дуже великихнапряженностях електричного поля: в кремнії при E = 106В/м, в німеччині при E = 105В/см.Напряженности електричного поля, у яких з'являється ефект тунелювання, різні щодо різноманітних матеріалів, т. до. товщина потенційного бар'єра (D) залежить від ширинизапрещенной зони напівпровідника за незмінної напруженості електричного поля, т. е. за незмінної нахилі енергетичних зон.

ЕФЕКТГАННА

напівпровідник енергетичний електричний заряд

До ефектів сильного поля, зумовленим зміною рухливості носіїв заряду, належить і ефект Ганна, відкритий 1963 р. Сутність його у появі високочастотних коливань електричного струму при вплив на напівпровідник постійного електричного поля високої напруженості.

Вперше ефект Ганна зафіксований у зразках з арсеніду галіюGaAs іфосфида індіюInP з електропровідністю n - типу. Порогова напруженість поля дляGaAs становить 0,3МВ/м, аInP - близько 0,6МВ/м.

Для пояснення ефекту Ганна необхідно врахувати складне будова зони провідності напівпровідників, яке відбивають найпростіші енергетичні діаграми. Нагадаємо:

>h·k - імпульс частки в кристалі

 ефективна маса частки.

 хвилеве число, де l - довжина хвилі деБройля;

 де h - стала Планка,p – імпульс.

Коли діаграмі Еге -k (див. мал.6) крива має опуклість вниз, як і відповідає околиці точки Егез, тоm* > 0. Якщо ж крива має опуклість вгору (околиця точки Егев), тоm* < 0. І тут частка буде прискорюватися у бік, протилежному напрямку прискорення електрона, т. е. поводитиметься як певна уявна частка позитивного масою і зарядом. У межах методу Еге -k - діаграми цю частку називають "діркою".

>Волновое число:

де N - порядковий номер атома в кристалі;

L = a + b - період потенціалу кристалічною ґрати прямокутної форми (a - ширина області із нульовим потенціалом, b - ширина області з потенціалом U0);n=1,2,3...

У реальних напівпровідника діаграма Еге -k залежить від орієнтації вектораk щодо осей ґрати:

Кожен напівпровідник характеризується специфічної залежністю енергії від хвильового вектораk. Останній пов'язані зквазиимпульсом р частинок в твердому тілі співвідношенням:


На енергетичної діаграміGaAs, побудованої на просторіквазиимпульсов (див. мал.9, 10) можна виокремити декілька мінімумів (долин) зони провідності, розділених потенційним бар'єромDЭ1.

У центральному мінімумі, відповідному точціk=0, електрони мають значно нижчою ефективної масою та набуттям більшої рухливістю, ніж у бічних долинах. При вплив слабкого поля електрони заселяють нижню долину, оскільки з їхньоюдрейфовие швидкості іквазиимпульси малі. У сильних електричних полях, перевищують деяке граничне значення, більшість електронів набувають додаткову енергію, велику, ніжDЭ1, і переходить до бічну долину. Такий перехід супроводжується зменшенням рухливості носіїв заряду, а оскільки щільність струму пропорційна рухливості, то, на вольт -амперной характеристиціt =f(Е) з'являється ділянку негативною диференціальної провідності (ділянку АВ).

Наявність цієї ділянки зумовлює генерацію високочастотних коливанні.


 

З - за неоднорідності зразка, порогова напруженість поля, коли він відбувається перехід електронів з нижнього мінімуму у верхній, досягається за всьому обсягу напівпровідника, а локальної області з підвищеним опором. У результаті області неоднорідності утворюється зона "важких" електронів, що під дією електричного поля починає переміщатися до аноду. Праворуч і ліворуч цієї зони рухаються "легені" електрони, які мають великийдрейфовой швидкістю. За рахунок догляду швидких електронів поблизу пакета рухомих електронів із боку анода утворюється дефіцит негативного заряду. Навпаки, із боку катода поблизу цього пакета виникає надлишок негативного заряду, оскільки "легені" електрони наганяють "важкі" у своєму русі до аноду ("+"). За рахунок перерозподілу електронів вмежелектродном просторі формується шаробъемного заряду, яку заведено називати електричнимдоменом (>рис.11). Час руху домену від місця його зародження до анода визначає період коливань. При виготовленні електродів навмисно створюють неоднорідність області катода, завдяки чому зародження доменів відбувається у тому ж місці, а період коливань ставиться завтовшки зразка (>рис.12).


За підсумками ефекту Ганна розроблено прилади, генеруючі буде в діапазоні частот до сотеньгигагерц (ГГц). Наприклад, при товщині кристалів арсеніду галію між електродами близько 100мкм частота генерації приблизно ГГц припороговом напрузі кілька десятків вольт.


ЛІТЕРАТУРА

 

1.Л.Е.Воробьев,С.Н.Данилов,Е.Л.Ивченко,Кинетические і оптичні явища в сильних електричних полях в напівпровідниках інаноструктурахС.-П., Наука, 2000

2.Конуелл Еге.Кинетические властивості напівпровідників в сильних електричних полях: Пер. з анг. 1970. 384 з


Схожі реферати:

Навігація