Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Устройства чтения компакт-дисков с помощью полупроводникового светового датчика измеряют изменения интенсивности отражения лазерного луча, сфокусированного на внутренней поверхности вращающегося компакт-диска. Они должны обеспечи- 8 вать высокую скорость чтения информации — порядка 1О импульсов в секунду, что возможно при очень малых значениях времени жизни (примерно 1О 8 с) электронов и дырок в полупроводниковом материале датчика. Полупроводниковые датчики применяют и для измерения интенсивности ионизирующих излучений.
В них происходят процессы, аналогичные рассмотренной выше фотопроводимости, Главное отличие состоит в том, что электрон, выбитый из атома, обладает очень большой энергией, которой достаточно для ионизации многих других атомов полупроводника. Это приводит к появлению очень большого числа пар электрон — дырка, повышению концентрации электронов и дырок и, как следствие, к увеличению проводимости полупроводника. 211 Р; =е[(о„), В). (4.55) Дырки под действием силы Р, начнут двигаться вверх и накапливаться на верхней грани. При этом на верхней грани будет формироваться избыток положительного заряда, а на нижней— 212 Отметим, что повышение температуры, освещенности и радиационного облучения полупроводника приводят к увеличению его проводимости.
Поэтому при использовании полупроводниковых датчиков для измерения одной из трех перечисленных величин стремятся уменьшить или хотя бы стабилизировать влияние двух других. Например, полупроводниковые датчики — измерители температуры тщательно защищают от света и радиации. Чувствительные полупроводниковые датчики светового и инфракрасного излучения охлаждают до температуры приблизительно 200 К, а иногда и ниже, чтобы уменьшить влияние проводимости, обусловленной тепловым возбуждением электронов и тем самым увеличить чувствительность к слабым потокам излучения.
Если такой датчик не охлаждать, то малое число носителей заряда, образовавшееся в нем вследствие воздействия излучения, будет незаметным на фоне большого числа носителей заряда, образовавшегося при тепловом движении. Охлаждение особенно эффективно для датчиков инфракрасного диапазона, поскольку в них увеличение проводимости достигается за счет квантов инфракрасного излучения, энергия которых сопоставима с энергией теплового движения атомов при комнатной температуре.
Эффект Холла в полупроводниках. Рассмотрим образец полупроводника в виде прямоугольного параллелепипеда (рис. 4.21), вдоль стороны 1 которого течет ток плотностью 1, а вдоль стороны Ь которого направлен вектор магнитной индукции В. Эффект Холла состоит в появлении разности лотенлиалов, называемой холловской, между точками верхней и нижней граней, расположенных одна над другой (см.
рис. 4.21, 1 и 2). В акцепторном полупроводнике с плотностью тока 1 связана дрейфовая скорость движения (йь) дырок — носителей заряда. На заряд е, движущийся в магнитном поле, как известно из электродинамики, действует сила Лоренца Е,, направленная на рис. 4.21 вверх: Рис. 4.21. Схема появления поверхностных зарядов и холловской напря- женности электрического поля в акцепторном полупроводнике [у', В) Ех = =Я[/,В). епл (4.56) Величины Ел,Я В могут быть измерены. Это позволяет вычислить постоянную Холла Я. Аналогичную формулу можно получить и для донорного полупроводника.
Скорость движения электронов будет направлена противоположно вектору плотности тока, а направление силы Лоренца, действующей на электрон, будет таким же, как на рис. 4.21. Отметим, что знак Е совпадает со знаком носителей заряда. С помощью соотношения (4.5б) можно сравнительно легко вычислить такие важные характеристики полупроводника, как концентрация носителей заряда и их знак (см. далее задачу 4.7). В технике на эффекте Холла основано действие приборов для измерения магнитной индукции, например, датчика — образца 213 избыток отрицательного заряда. Эти заряды создают электрическое поле (Ех), которое препятствует движению дырок вверх, действуя на них силой еЕх.
Когда силы еЕх и Рг уравновесятся, процесс накопления заряда прекратится и установится значение Е„, отвечающее значениям (6„) и В. Условие равновесия примет вид Р~ = еЕх = е[(йл), В]. Заменив в этом соотношении (йл) на уз из формулы (4.44), найдем более удобное для проведения экспериментов соотношение: Рнс.
4.22. Схема появления холловской напряженности электрического поля н поверхностных зарядов в полупроводнике с сопоставимыми кон- центрацнямн электронов н дырок полупроводника, подобного изображенному на рис. 4.21. Используя датчик, измеряют значения Ех и у, затем вычисляют величину В. Процесс измерения можно автоматизировать, и прибор сразу будет показывать значение В. При измерениях крайне важно обеспечить расположение точек 1 и 2 (см. рис. 4.21) строго одна над другой, чтобы разность потенциалов между ними, появляющаяся в образце при протекании тока, оказалась равной нулю. Рассмотрим эффект Холла в случае сопоставимых значений концентраций электронов и дырок в полупроводнике. Пусть в образце полупроводника в виде прямоугольного параллелепипеда (рис.
4.22) концентрации электронов и дырок равны п, и пы а подвижности электронов и дырок равны и, и рм Вектор плотности тока, создаваемого электронами и дырками под воздействием электрического поля ( Е, ), направлен вдоль стороны! и задан, согласно формуле (4.44), выражением уз =(л,ц, + пьца)еЕ,. (4.57) Вдоль стороны Ь от нас направлен вектор магнитной индукции В, со стороны которого как на электрон, так и на дырку будут действовать силы Лоренца, направленные вверх. Под их воздействием электроны и дырки начнут двигаться вверх, накапливаться на верхней грани и рекомбинировать. Допустим, что дырок будет приходить к верхней грани больше, чем электронов.
Тогда на 214 верхней грани будет постепенно накапливаться избыток дырок, а на нижней — избыток электронов. Появится холловская напряженность электрического поля, направленная вниз. Это поле будет препятствовать дьзркам и помогать электронам двигаться вверх. Через некоторое время установится такое значение Ех, прн котором плотности потока электронов 1',т и дырок альт, направленных вверх, сравняются, прекратится накопление заряда на верхней грани и увеличение значения Ех. Условие равновесия можно записать следующим образом: льрьГь иьРьЕхе =п.р Г~ + п,р,Ехе.
(4.58) С учетом соотношений (4.43) и (4.44) получим пьрь(Ерь)Ве — льрьЕ е=п,р,(ЕН,)Ве+п„р,Ехе. (459) Из соотношения (4.59) найдем Е, В(пьрь' —,Н,') (4.60) Е, льРь+пр, Используя формулы (4.56) и (4.57), из соотношения (4.60) выразим А = Ех I 7В: 2 2 и льНь лере (4.61) (пьрь+п,р,) е 2 Соотношения (4.60) и (4.61) упрощаются, если полупроводник беспримесный (пь = л,): = В(рь Не). Ех (4.62) В частности, для беспримесного полупроводника, используя соотношение (4.62), можно найти разность подвижностей электронов и дырок.
Особенности аморфных полупроводников. В настоящее время в технике широко применяют аморфные полупроводники. В целом структура их энергетических зон и физические свойства похожи на свойства кристаллических полупроводников. Отличие 215 зонной структуры — появление размытых границ запрещенной зоны и большего числа уровней в запрещенной зоне — связано с неэквивалентным положением различных атомов в неправильной структуре полупроводника.
Вследствие этого энергетические уровни различных атомов расположены по-разному (см. рис. 4.2). Аморфные полупроводники менее чувствительны к легированию примесями и к радиационным повреждениям, поскольку появление точечных дефектов в сильно дефектной аморфной структуре (а не в совершенной кристаллической) должно слабее влиять на свойства полупроводника. Область применения аморфных полупроводников — электроника и фототехника.
Часто получение деталей из аморфных полупроводников оказывается дешевле, чем из монокристаллических. Из аморфного вещества, в отличие от кристаллического, можно получать светочувствительные покрытия таких крупных деталей, как барабаны принтеров и ксероксов, изготавливать многослойные элементы памяти и т.д. Рассмотрим процессы, происходящие в аморфных полупроводниковых светочувствительных барабанах, используемых в копировальной технике (ксероксы, лазерные принтеры).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
