Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Кривая 1− ad=0,1; 2− ad=1; 3− ad=5Рис.2.19.Качественныезависимостиспектральнойчувствительностифотопроводимостиразличныхполупроводниковыхматериалов (а) − вобласти собственнойпроводимости:1−CdS, 2− PbS, 3−PbS(77K), 4−PbSe, 5−InSb,6−PbSe и в областипримесной проводимости(б):λ, мкм7272поляризацию и фазу, что и фотоны вынуждающих, совпадает и направлениераспространения, это излучение когерентное.Катодолюминесценция (возбуждение электронным лучом) – свечениелюминофоров при бомбардировке их потоком быстрых электронов, используетсяв электронно–лучевых трубках и в электронных микроскопах.Наибольший практический интерес вызывает электролюминесценция, что обусловлено бурным развитием оптоэлектроники. Различают два видаэлектролюминесценции: инжекционную и предпробойную. Инжекционнаяэлектролюминесценция наблюдается при прямом смещении p–n-перехода.
Оналежит в основе принципа действия светодиодов и полупроводниковых лазеров.Инжекционная электролюминесценция открыта О. Лосевым в 1923 году приизучении полупроводниковых материалов на основе карбида Si(SiC).Предпробойная электролюминесценция возникает в сильных электрическихполях при обратном смещении р–n-перехода. При этом, под действием сильногополя, развиваются процессы ударной ионизации, приводящей к лавинномуувеличению концентрации неравновесных носителей заряда.
На этом принципеработают лавинно–пролетные полупроводниковые диоды. Предпробойнаялюминесценция наблюдается как в переменном, так и в постоянномэлектрическом поле, причем в первом случае не требуется протекания носителейчерез люминофор: электро–люминесцентная ячейка работает в емкостномрежиме. Порошок люминофора (например, ZnS) со связкой наносится на диэлектрик или напыляется в вакууме. Сублимированные пленки светятся при приложении напряжения; используя трафарет, можно получить светящиеся цифры,буквы, схемы.В сильных электрических полях нарушается пропорциональность между плотностью тока в полупроводнике и напряженностью внешнего электрического поля,вследствие изменения удельной проводимости γ. Напряженность поля, которуюможно условно принять за границу “сильные–слабые” поля называюткритической Екр.
Проводимость γ может измениться как за счет измененияподвижности µ, так и концентрации n. Критерием слабого поля являетсянеравенство v<<u, где v – скорость дрейфа носителей в электрическом поле, u –тепловая скорость носителей. При достаточно больших напряженностях,приращение абсолютного значения скорости, получаемое на длине свободногопробега носителя заряда l, станет сравнимо с начальным значением тепловойскорости u, т.е. v ≈ u. Добавочная кинетическая энергия, приобретаемаяносителем под действием поля: Эдоб = еEl , где l – средняя длина свободногопробега, еЕ – сила действия поля Е на заряд е.
Приравняв это значение величинетепловой энергии 3/2kТ, получим: Екр=(3/2kТ)/(el). Принимая l = 10–8 м, Т = 300К, найдем Екр ≈ 106 В/м. В случае рассеяния на тепловых колебаниях решетки lне зависит от скорости и µ∼1/U(E), т.е. подвижность будет падать с увеличениемнапряженности. Однако, на практике трудно наблюдать уменьшение γ за счетуменьшения µ, так как при увеличении Е, значительно увеличивается73концентрация носителей. Существует несколько механизмов увеличенияконцентрации:а) Термоэлектронная ионизация (Я.
И. Френкель). Под действием сильногополя незначительно уменьшается высота потенциального барьера для электроновв направлении, противоположном направлению поля. Поскольку зависимостьконцентрации от незначительного изменения δЭ экспоненциальная, это вызываетсущественные изменения концентрации.б) Ударная ионизация. Свободный электрон, ускоряясь, под действием большой напряженности Е на длине свободного пробега l, может накопить энергию,достаточную для ионизации примеси или собственного атома полупроводника.Уравновешивание процессов возбуждения и рекомбинации приводит к стационарной повышенной концентрации, возрастающей с увеличением напряженности Е.в) Туннельный эффект (электростатическая ионизация).
В условиях сильногоэлектрического поля, электроны могут проходить сквозь потенциальный барьербез изменения своей энергии – туннелировать. В типичных случаях, этинапряженности порядка 108 В/м. Если туннелируют электроны с примесныхуровней, то требуются меньшие величины Е. Диоды с таким переходомназываются туннельными (диоды Есаки), они были первыми твердотельнымигенераторами СВЧ-колебаний.
Туннельные диоды выпускаются в промышленныхмасштабах на GaAs и Ge, причем, вследствие непрямого перехода зоны Ge-диодытребуют больших напряжений.Из вышеизложенного ясно, что зависимость проводимости полупроводниковвследствие влияния напряженности Е может быть сложной. На рис.2.20 показаназависимость скорости носителей от напряженности Е. Из рисунка видно, что еслидля не прямозонных полупроводников (Ge, Si и др.), кривая зависимости носитхарактер насыщения, когда скорость перестает зависеть от поля, то впрямозонных (GaAs, JnP) после достижения пороговой напряженности имеетместо падение дрейфовой подвижности.
На вольтамперной характеристике (ВАХ)этот участок с отрицательной производной проявляется как отрицательноедифференциальное сопротивление. Исследуя ВАХ арсенида Ga и фосфида Jnфизик США Д. Ганн в 1963 году обнаружил эффект, названный его именем(рис.2.21). Стоило напряжению превысить значение Ut (индекс t от threshold–порог), как ток при постоянном напряжении начинал периодически изменяться современем с периодом Т≈2L/Vt, где Vt≈ 2⋅105 м/c – скорость электронов припороговом поле Еt=3,2⋅105 В/м (см.рис.2.20, график для GaAs, µ=0,7 м2/(В⋅с)). Каки туннелирование, эффект Ганна используется для генерирования СВЧизлучения.
Действительно, при L=2…10 мкм частота генерируемых колебаний f =1/T ≈ Vt/2L = (1…5)⋅1010 Гц (радиолокация, системы связи). Пороговоенапряжение Ut = EtL также зависит от длины образца L. Для объяснения эффектаГанна нужно учесть сложное строение зоны проводимости полупроводников,которое не отражают простейшие диаграммы, подобные приведенным нарис.1.23. На энергетической диаграмме GaAs (рис.2.22) можно выделитьнесколько минимумов (долин) зоны проводимости (как и несколько вершин валентной зоны). В центральном минимуме электроны обладают существенно мень74шей эффективной массой (рис.2.22) и большой подвижностью, нежели в боковыхдолинах.
При воздействии слабого поля электроны заселяют нижнюю долину, всильных полях Е>Et электроны приобретают энергию, достаточную для переходав боковую долину, сопровождающегося уменьшением подвижности носителей заряда (до 0,01 м2/(В⋅с)), а ВАХ приобретает N-образный вид (см.рис.2.23). Переход сопровождается выделением энергии в виде когерентных СВЧ-колебаний.Ган установил, что при V>Vt, распределение напряжения в образце резкоизменяется, у катода появляется узкая область очень сильного поля – домен(рис.2.24). Домен движется к аноду со скоростью ∼Vt/2, разрушается у анода, нонемедленно вновь появляется у катода новый домен. Время движения домена отместа зарождения до анода определяет время Т колебаний.
За счет хаотическогодвижения электронов, в кристалле, маленькие отклонения Е от среднего значения(флуктуация поля) возникают непрерывно, но на омическом участке V(Е)(cм.рис.2.20) флуктуация рассасывается. А вот на участке с отрицательнойпроизводной (см.рис.2.20, кривые для GaAs и JnP) флуктуация будет нарастать ипревращается в домен. Находящиеся внутри домена электроны совершилимеждолинный переход, стали тяжелыми (см. рис.2.22) и малоподвижными,флуктуация движется медленнее, чем электроны слева и справа от нее.
Врезультате, образуется объемный заряд (слева набегающие электроны образуютобласть отрицательного заряда, справа – электроны “убежали” – областьположительного). Преднамеренная неоднородность в области катодаобеспечивает зарождение доменов в одном и том же месте.Эффект Ганна наблюдался во многих двойных, тройных и четверных соединениях типа АIIIBV (кроме GaAs и JnР – в соединениях JnSb, JnGaSb, JnАsP, JnGaAsPи многих других). Кроме основного своего назначения – генераторы СВЧ –эффект Ганна используется в других областях.
Например, быстродвижущийсядомен сильного поля может использоваться для модуляции световых пучков,генерации мощных акустических потоков (ультразвук), кодирования идекодирования информации и др.Особенность зонной структуры GaAs обеспечивает ему преимущества и приизготовлении третьего основного типа генераторов СВЧ-колебаний –лавинопролетных диодов: КПД выше, а шумы меньше, чем у кремниевых.2.2. Элементные полупроводникиЕсли селеновые и меднозакисные выпрямители используются в промышленности уже более века, то Ge и Si начали применяться в полупроводниковой техникезначительно позже. Причем германий (экасилиций по Менделееву) историческиначал применяться раньше, на нем отрабатывалась технология производства современных полупроводниковых материалов (современные способы очистки, легирования, выращивания монокристаллов и т.д.).
Технология Gе послужила основойполупроводниковой техники – самой мощной отрасли современной электроники.75Рис.2.20.Полеваязависимостьэлектронов в Si, GaAs, InPскоростиРис.2.21. Зависимость напряжения на образце от времени (а) итока через образец от времени (б) в экспериментах Ганна.Пунктиром показан случай, когда амплитуда импульсанапряжения Vн меньше, чем критическое значение Vt . Сплошнойкривой − случай, когда Vн > Vt .76Рис.2.22.Структураэнергетических зон арсенидагаллия в кристаллографическомнаправлении [100]Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
