Главная  Электронные лампы 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [ 35 ] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

6.6. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ в СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ. ЭФФЕКТ ГАННЛ

с ростом напряженности электрического поля проводимость полупроводника изменяется. В слабых электрических полях концентрация носителей заряда не зависит от напряженности поля Е, а зависимость тока через полупроводник от напряженности электрического поля подчиняется закону Ома. На рис. 6.9 i/a этому случаю соответствует участок ОЛ зависимости / = / (Е). Начиная с некоторого значения напряжен-


Рггс. 6.9. Зависимость i = f (Е) полупроводника в электрическом поле.


Рис. 6.10. Энергетические зоны полупроводника в сильном электрическом поле:

/ - схема иоиизацин ipi) сс-удареннн; 2 - схема электростатической ионизации.

НОСТИ El, нарастание ( с ростом Е сначала замедляется, а при Е = = £кр полностью прекращается (участок АВ на рис. 6.9). При дальнейшем увеличении Е (участок ВС) энергии поля еще недостаточно для увеличения концентрации носителей заряда; при этом подвижность электронов .1 уменьшается (вследствие увеличения числа столкновений с атомами кристаллической решетки) и определяется выражением

= pjl ~аЕ--),

(6.35)

где [Ло - подвижность в слабых полях; а - коэффициент, не зависящий от напряженности поля.

В соответствии с этим дифференциальная проводимость полупроводника на этом участке оказывается велич!шой отрицательной.

Падение i с ростом Е продолжается до порогового значения напряженности £пор, после чего проводимость полупроводника резко возрастает из-за увеличения концентрации носителей заряда (участок CD на рис. 6.9).

Существует несколько механизмов повышения концентрации носителей заряда под действием сильного электрического поля.

В сильных полях происходит вырывание полем носителей заряда из связей и ударная ионизация атомов электронами, получившими достаточную энергию на дл!ше свободного пробега (эффект Пуля).

Одним из механизмов увеличения числа носителей заряда в сильных электрических полях является эффект Зенера. В сильных полях энергетические зоны полупроводника наклонены (рис. 6.10). В этом случае электрон приобретает способность проходить через запрещен-



ную зону двумя путями (рис. 6.10, /, 2). Вертикальный переход связан с затратой энергии и обусловлен механизмом ударной ионизации. При горизонтальном переходе 2 энергия не затрачивается, т. е. происходит как бы «просачивание» электронов сквозь потенциальный барьер. Это явление получило название электростатической ионизации, или эффекта Зенера. ?

Экспериментальные данные показывают, что эффект Зенера в германии начинает проявляться при напряженности порядка £2х X 10 в/м.

При £ 10 -~ 10 в/м в полупроводнике возникает эффект Штарка - расщепление энергетических уровней, приводящее к уменьшению ширины запрещенной зоны. В связи с этим уменьшается энер-


Рис. 6.11. К пояснению эффекта Ганна:

а - зависимость I - f (Е) полупроводникового кристалла; б - образование электростатического домена; в - характер иаменення силы тока в цепи.

гия, 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. Данное явление называется термоэлектронной ионизацией Френкеля.

Рассмотренные эффекты сильного поля оказывают большое влияние на процессы, протекающие в полупроводниковых приборах.

Все более широкое практическое применение получает эффект Ганна, открытый в 1963 г. Сущность его состоит в следующем. Пусть через полупроводниковый кристалл течет ток от источника питания, создающего в полупроводнике электрическое поле с напряже11Н0стью о- причем йкр < йо < £пор (рис. 6.11, а). Предположим далее, что иа небольшом отрезке кристалла, заключенном между Xj и х, напряженность поля вследствие флуктуации, обусловленной некоторой неоднородностью удельного сопротивления полупроводника, возросла на небольшую величину АЕ. Как видно из рис. 6.И, й, в области % < <С <С 2 плотность тона окажется меньше, чем в области л < % и X > Поэтому электроны, движущиеся против сил поля, начнут скапливаться вблизи х, создавая здесь отрицательный заряд, и отрываться от Х2, оставляя нескомпенсированиый положительный заряд (рис. 6.11,6). Между точками jt и образуется дипольпый слой, обедненный свободными электронами. Зтот слой называют электростатическими доменом.



Обычно домен формируется вблизи электродов, так как в результате вплавления контактов эти области полупроводника оказываются наиболее неоднородными.

Под воздействием внешнего электрического поля домен может перемещаться через кристалл в направлении от «катода» к «аноду» со скоростью порядка 10 м/с. Учитывая, что домен может двигаться только против снл поля (так как под воздействием внешнего поля электроны, скопившиеся в области Xj, преодолевают силы кулоновско-го притяжения к положительно заряженным донорам и устремляются к аноду), местом его зарождения всегда является область катода. При подходе к аноду электроны рекомбинируют и домен распадается. При этом вблизи катода зарождается новый домен и процесс повторяется, приобретая периодический характер.

Так как в области домена концентрация свободных электронов понижена, возникновение его в кристалле сопровождается повышением сопротивления образца и уменьшением силы тока в цепи примерно в два раза. На рис. 6. И, е показан характер изменения тока с течением времени. Участок / соответствует зарождению домена. В области И домен перемещается от катода к аноду и сила тока в цепи сохраняется неизменной и минимальной. Область / соответствует распаду домена, при котором ток возрастает от /min до первоначального значения /о- Указанный процесс повторяется со сверхвысокой частотой, так как скорость перемещения домена в кристалле чрезвычаЙЕЮ велика.

Таким образом, эффект Ганна позволяет преобразовать мощность постоянного тока источника питания в мощность переменного тока сверхвысокой частоты. Специфика эффекта Ганна состоит в том. что преобразование мощности происходит во всем объеме образца, ct не в узкой области р - п-перехода, как в обычных полупроводниковых структурах. Поэтому может быть получена значительно большая выходная мощность, чем для рассматриваемых ниже транзисторов и туннельных диодов. Принципиально возможно создание генераторов Ганна мощностью порядка нескольких киловатт в импульсе и частотой до десятков гигагерц. Кроме того, генераторы Ганна просты по конструкции, имеют значительный срок службы и способны работать от источников низкого напряжения. Эффект Ганиа находит практическое применение не только для генерации и усиления колебаний сверхвысоких частот, но и для построения функциональных интегральных схем большой сложности, лежащих в основе очередного качественно ]ювого этапа развития микроэлектроники [30].

6.7. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ (ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ)

Явлением фотопроводи.мости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения.

В беспримесном полупроводнике энергия фотона затрачивается на образование электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости.



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [ 35 ] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

0.0011