13 (Лекции Лунева PDF), страница 3

При увеличении температурыразличия между областями постепенно пропадают и в итоге полупроводниковое устройствопревращается в простой проводник.Фотопроводимость полупроводников.Если на полупроводник падает поток квантов электромагнитного излучения с энергией большей ширины запрещённой зоны Eg , то возможен внутренний фотоэффект в полупроводнике - переход электронов, поглотивших квант излучения, из валентной зоны в зону проводимости. Из-за этого количество электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, атакже связанная с ними проводимость полупроводника, возрастают.

Явление увеличения проводимости полупроводника под влиянием падающих излучений получило название фотопроводимости полупроводников.Это явление очень важно для физики, так как позволяет определить две важных характеристики полупроводника - ширину запрещённой зоны и среднее время жизни носителей вполупроводнике.Ширину запрещённой зоны вычисляют по найденной экспериментально красной границевнутреннего фотоэффекта - максимальной длине волны излучения К, при которой возможенвнутренний фотоэффект.

Для этого используют соотношение: Eg  K .Среднее время жизни носителей в полупроводнике вычисляют по найденной экспериментально зависимости проводимости полупроводника при облучении его светом. Рассмотрим6Семестр 4. Лекции 13.беспримесный полупроводник при комнатной температуре. При отсутствии освещения в нёмбудет равновесная концентрация носителей заряда nT , а с ней связанная проводимость - T .При освещении полупроводника будут нарождаться пары электрон - дырка.

Этот процесс скоро уравновесится рекомбинацией электронов и дырок, вероятность которой растёт приувеличении концентраций последних. Через некоторое время скорость рекомбинации сравняется со скоростью нарождения электронов и дырок. При этом в полупроводнике установится новое значение концентрации электронов и дырок: n  nT  nI , где nI - добавочная концентрацияносителей, обусловленная воздействием освещённости.

Если теперь свет мгновенно выключить, то концентрации электронов и дырок постепенно из-за рекомбинации вернутся к значению nT, которое наблюдалось до освещения полупроводника. Аналогичным образом будет изменяться проводимость полупроводника. Время , за которое добавка к проводимости  Iуменьшится приблизительно в e раз, называют средним временем жизни электронов и дырокв полупроводнике.Явление фотопроводимости полупроводников очень важно для техники, так как позволяет конструировать полупроводниковые датчики, как света, так и других видов электромагнитных излучений.В настоящее время полупроводниковые датчики используются как для измерения освещённости, так и для пересчёта импульсов светового потока, например в устройствах регистрации числа оборотов и скорости вращения валов машин, перемещения узлов станков, чтенияинформации, записанной на компакт-дисках и т.д.Полупроводниковые датчики используются и для измерения интенсивности ионизирующих излучений.

В них происходят процессы, аналогичные рассмотренным выше; отличие втом, что электрон, выбитый из зоны проводимости, обладает очень большой энергией, которойдостаточно для проведения ионизации многих других атомов полупроводника, что приводит кувеличению концентрации электронов и дырок и, как следствие, к увеличению проводимостиполупроводника.Следует заметить, что увеличение температуры, освещённости и радиационного облучения полупроводника приводят к увеличению его проводимости. Поэтому при использованииполупроводниковых датчиков для измерения одной из трёх перечисленных величин стремятсяуменьшить или хотя бы стабилизировать влияние двух других. Например, полупроводниковыедатчики - измерители температуры тщательно защищают от света и радиации.

Чувствительныеполупроводниковые датчики светового и инфракрасного излучения охлаждают до температурыпорядка 200 К, а иногда и ниже, чтобы уменьшить влияние проводимости, обусловленной тепловым возбуждением электронов и тем самым увеличить чувствительность к слабым потокамизлучения. Если такой датчик не охлаждать, то малое число носителей заряда, образовавшеесяв нем из-за воздействия излучения, будет незаметным на фоне большого числа носителей заряда, образовавшихся при тепловом движении.Вырожденный полупроводник.Вырожденный полупроводник - это полупроводник, концентрация примесей в которомнастолько велика, что собственные свойства практически не проявляются, а проявляются в основном свойства примеси. При введении примесей уровень химического потенциала начинаетсмещаться к одной из зон. При очень высокой концентрации примесей, он может оказатьсяочень близко и даже внутри одной из зон.

У вырожденного полупроводника уровень Фермилежит внутри разрешённых зон или внутри запрещённой зоны на расстояниях не более kT отграниц разрешённых зон. В таком случае проявляется фермионный характер электронов проводимости или дырок. Для описания распределения носителей заряда в зонах нужно применятьстатистику Ферми-Дирака. Полупроводник начинает вести себя аналогично металлу.Вырожденные полупроводники получают путём сильного легирования собственных полупроводников.7Семестр 4.

Лекции 13.Экситон.Дырка, являясь положительно заряженной частицей, может образовывать пары с электроном проводимости – своеобразный аналог водородоподобного атома, который получилназвание экситон.Экситон (лат. excito - «возбуждаю») - водородоподобная квазичастица, представляющаясобой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы.

Поэтому экситон не участвуетв электропроводности полупроводников.Хотя экситон состоит из электрона и дырки, его следует считать самостоятельной элементарной (не сводимой) частицей в случаях, когда энергия взаимодействия электрона и дыркиимеет тот же порядок, что и энергия их движения, а энергия взаимодействия между двумя экситонами мала по сравнению с энергией каждого из них.

Экситон можно считать элементарнойквазичастицей в тех явлениях, в которых он выступает как целое образование, не подвергающееся воздействиям, способным его разрушить.Если радиус экситона не превосходит периода кристаллической решётки, то он носитназвание экситон Френкеля.Если радиус экситона значительно больше периода решётки, то его принято называтьэкситон Ванье - Мотта.В полупроводниках из-за высокой диэлектрической проницаемости, существуют толькоэкситоны Ванье-Мотта. Высокая диэлектрическая проницаемость приводит к ослаблению электростатического притяжения между электроном и дыркой, что и приводит к большому радиусуэкситона. Экситоны Френкеля применимы, прежде всего, к молекулярным кристаллам.При больших концентрациях носителей заряда в полупроводнике существенным становится экранирование кулоновского взаимодействия и может происходить разрушение экситонов Ванье- Мотта.Экситоны Ванье-Мотта отчётливо проявляются в спектрах поглощения полупроводникова также в спектрах люминесценции, в фотопроводимости, в эффекте Штарка и эффекте Зеемана.Эффект Холла в полупроводниках.Рассмотрим образец полупроводника в виде прямоугольного параллелепипеда длиной l,высотой h и шириной b.

Пусть вдоль стороны l течет ток плотности j , а вдоль стороны bнаправлен вектор магнитной индукции B . Эффект Холла состоит в появлении разностипотенциалов, называемой холловской, между парой граней вдоль стороны h.Рассмотрим эффект Холла в случае сопоставимых значений концентраций электронов nnи дырок n p в полупроводнике. Пусть подвижности электронов и дырок равны  n и  p .Вектор плотности тока, создаваемого электронами и дырками под воздействием электрического поля, направлен вдоль стороны l и задаётся выражением:j  (nn n  n p  p )eEl .Т.к. электроны движутся против вектора продольной напряжённости поля El , а дырки внаправлении El , то на оба типа носителей тока действуют магнитные силы Лоренца Fn и Fp ,BjhvnFnFpvpjBEbl8EСеместр 4.

Лекции 13.направленные одинаково (вверх). Под их воздействием дырки и электроны начнут двигатьсявверх, накапливаться на верхней грани и рекомбинировать. Допустим, что дырок будет приходить к верхней грани больше, чем электронов. Тогда на верхней грани будет постепенно накапливаться избыток дырок, появится холловская напряжённость E X электрического поля, направленная вниз (на рис. E ).

Это поле будет препятствовать дыркам и помогать электронам двигаться вверх. Через некоторое время установится такое значение E X , при котором плотностипотока электронов jn и дырок j p , направленных вверх, сравняются, прекратится накоплениезаряда на верхней грани и увеличение значения E X .Условие равновесия можно записать следующим образом:np  p Fp  np  p EX e  nn n Fn  nn n EX e .И тогда, после несложных преобразований с учётом соотношений, например для дырки:Fp  e  p  B  и  p   p El , а для электрона по аналогии с заменой индекса, получим:np  p ( El  p ) Be  n p  p EX e  nn n ( El n ) Be  nn n EX e .Из последнего соотношения найдём:22E X B(n p  p  nn n ).Eln p  p  nn nДля модуля холловской напряжённости E X электрического поля запишем:EX (n p  p2  nn n2 )n p  p  nn nBEl ,а используя закон Ома в дифференциальной форме: j   El , где  e   nn n  n p p  , для E X получим:удельная проводимостьn p  p2  nn n2(n p  p2  nn n2 ) jEX BjB .n p  p  nn n e(n p  p  nn n )2Напряжение Холла между гранями:U X  EX h n p  p2  nn n2e(n p  p  nn n )2jBh .Это выражение принято записывать в виде:U X  RX jBh ,подразумевая, что постоянная ХоллаRX n p  p2  nn n2e(n p  p  nn n )2может быть и отрицательной иположительной.Например, для проводника p-типа можно считать, что n p  nn , поэтому RX для проводника n-типа nn  n p , поэтому RX  10, аen p1 0.ennПрименение эффекта Холла.Эффект Холла, в некоторых случаях, позволяет определить тип носителей заряда (электронный или дырочный) в металле или полупроводнике, что делает его незаменимым методомисследования свойств полупроводников.9Семестр 4.

Лекции 13.На основе эффекта Холла работают датчики Холла - приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля.Датчики Холла получили очень большое распространение в бесколлекторных, или вентильных электродвигателях (сервомоторах). Датчики закрепляются непосредственно на статоредвигателя и выступают в роли ДПР (датчика положения ротора). ДПР реализует обратную связьпо положению ротора, выполняет ту же функцию, что и коллектор в коллекторном двигателепостоянного тока.Также на основе эффекта Холла работают некоторые виды ионных реактивных двигателей.10.