physics_saveliev_2 (535939), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Таким образом, в полупроводнике с 5-валентной примесью имеется только один вид носителей тока— электроны. Соответственно говорят, что такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником а-типа (от слова пека!!ч— отрицательный). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются д о н о р а м н.
Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме так называемых локальных уровней, расположенных в запрещенной зоне кристалла (рис. !44). Любой уровень валентной зоны илн зоны проводимости может быть занят электроном, находящимся в любом месте кристалла. Вота лдвмймзктя Валзммжат зава В тлегювяз авиа РФ9 Рнс, 144.
Энергию, соответствующую локальному уровню, электров может иметь, лишь находясь вблизи атома примеси, вызвавшего появление этого уровня. Следовательно, электрон, занимающий примесный уровень, локализован вблизи атома примеси. Если донорные уровни расположены недалеко от потолка валентной зоны '), они не могут существенно повлиять на электрические свойства кристалла, Иначе обстоит дело, когда расстояние таких уровней от дна зоны проводимости гораздо меньше, чем ширина запрещенной зоны. В этом случае энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости. На рис.
143 этому процессу соответствует отщепление пятого валент- ного электрона от атома примеси. Захвату свободного электрона атомом примеси соответствует на рис. 144 ') Это значнт, что пятый валентный электрон прочно связан со свопм атомом, переход электрона нз зоны проводимости на один из да. норных уровней. Уровень Ферми в полупроводнике и-типа лежит между донорными уровнями и дном зоны проводимости, при невысоких температурах — приблизительно посредине между ними (рис.
144). На рис. !45 условно изображена решетка кремния с примесью 3-валентных атомов бора. Трех валентных электронов атома бора недостаточно для образования связей со всеми 'четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется не укомплектованной и будет представ. лять собой место, способное захватить электрон. Прн переходе на это место электрона одной из соседних пар возникнет дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникнет избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока. Таким образом, в полупро. воднике с 3-валентной примесью возникают носители тока только одного вида — дырки. Проводимость в этом случае называется дырочной, а о полупроводнике гово. рят, что он принадлежит к р-типу (от слова роз(1(т — по. ложительный).
Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются а к цен торным и. На схеме уровней (рис. 146) акцептору соответствует расположенный в запретной зоне недалеко от ее дна ло. кальный уровень. Образованию дырки отвечает переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень. Обратный переход соответствует разрыву одной из четы. рех ковалентных связей атома примеси с его соседями и рекомбинации образовавшегося при этом электрона и дырки. Уровень Ферми в полупроводнике р-типа лежит между потолком валентной зоны и акцепторными уровнями, при невысоких температурах — приблизительно посредине между ними, С повышением температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения.
Это означает, что практически освобождаются все донорные или ааиа ааааа ааакгиа ааииаагеииаи ааиа ааиииюиаи гака Г~лр Рис. !46. заполняются электронами все акцепторные уровни. Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степепи начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, при высоких температурах проводимость полупроводника будет складываться из примесной н собственной проводимости. При низких температурах преобладает примесная, а при высоких — собственная проводимость.
$ 73. Эффект Холла Холл обнаружил в 1880 г. следующее явление: если металлическую пластинку, вдоль которой течет постоянный электрический ток, поместить в перпендикулярное к ней магнитное поле, то между параллельными току и полю гранями (рис. 147) возникает разность потенциалов 26! Уи ф1 —.фв Величина ее определяется выражением и = ЛЬ1'В, (73.1) где Ь вЂ” ширина пластинки, 1' — плотность тока,  — магнитная индукция поля, 1с' — разный для различных металлов коэффициент пропорциональности, получивший В Рис. 147. название по стоя ни о й Холл а. Само явление называют эф ф е к т о м Х о л л а нли г а л ь в а н о м а г н н тн ым явлением. Эффект Холла очень просто объясняется электронной теорией.
В отсутствие магнитного поля ток в пластинке +++++++г++++++ Рис. 148. обусловливается электрическим полем Еи (рнс, 148). Эквипотенциальные поверхности этого поля образуют систему перпендикулярных к вектору Еи плоскостей, изображенных на рисунке сплошными прямыми линиями.
Потенциал во всех точках каждой поверхности, а следовательно, и в точках 1 н 2 одинаков. Носители тока— электроны — имеют отрицательный заряд, поэтому скорость нх упорядоченного движения и направлена противоположно вектору плотности тока 1. 262 При включении магнитного поля каждый носитель оказывается под действием силы Лоренца, направленной вдоль стороны Ь пластинки (рис, 147) и равной по модулю )=еиВ. (73.2) В результате у электронов появляется составляющая движения в направлении к верхней (на рисунке) грани пластинки. У этой грани образуется избыток отрицательных, соответственно у нижней грани — избыток положительных зарядов. Следовательно, возникает дополнительное поперечное электрическое поле Ев. Когда напряженность этого поля достигает такой величины, что его действие на заряды будет уравновешивать силу (73.2), установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении, Соответствующее значение Ез определяется нз условия: еЕе = еиВ, откуда Ее= иВ, (73.3) Поле Ев складывается с полем Ее в результируюшее поле Е, Эквипотенциальные поверхности перпендикулярны в каждой точке к вектору напряженности поля.
Следовательно, они повернутся и займут положения, изображенные на рис, !48 пунктиром: Точки 1 и 2, которые прежде лежали на одной и той же эквипотенциальной поверхности, таперь будут иметь разные потенциалы. Чтобы найти напряжение, возникающее между этими точками, нужно умножить Ев на расстояние между ними Ь. Выражая, кроме того, в (73.3) и через 1', п и е в сО- ответствии с формулой 1 = пеи 1см.
(70.2)), получим и„= ЬЕ,= — „', Ь!В. (73.4) Последнее выражение совпадает с (73.1), если положить пе ' (73.5) Таким образом, измерив постоянную Холла, можно найти концентрацию носителей тока (т. е. их число в единице объема). Важной характеристикой вещества является подвижность в нем носителей тока, под которой подразумевается и и =— о л (73.6) В СИ скорость измеряется в метрах в секунду, напряженность электрического поля в вольтах иа метр. Следовательно, единицей подвижности будет 1 мо ° в-' сек-'. Рос.
149. Подвижность можно связать с проводимостью о н концентрацией носителей и. Для этого разделим соотношение (' = иеи на напряженность поля Е. Учтя, что отношение 1 к Е дает о, а и, деленное на Е, есть подвижность, получим (73.7) о = пеио. Определив постоянную Холла )х и проводимость о, можно по формулам (73.5) и (73.7) найти концентрацию и подвижность носителей тока в соответствую1цем об.
разде. Явление Холла наблюдается не только в металлах, но и в полупроводникак, причем по знаку эффекта можно судить о принадлежности полупроводника к и- или р-ти. пу. На рис (49 сопоставлен эффект Холла для образцов с положительными и отрицательными носителями. На.
правление силы Лоренца изменяется на противоположное как при изменении направления движения заряда, так и при изменении его знака. Следовательно, при одинаковом направлении тока сила Лоренца, действующая на положительные и отрицательные носители, имеет одинаковое направление. Поэтому в случае положительных 264 средняя скорость, приобретаемая носителем в поле, напряженность которого равна единице. Если в поле напряженности Е носители приобретают скорость и, то подвижность их и„равна носителей потенциал верхней (на рисунке) грани выше„ чем нижней, а в случае отрицательных носителей — ниже. Таким образом, определив знак холловской разности потенциалов, можно установить знак носнтелей тока.
Любопытно, что у некоторых металлов знак Ун соответствует положительным носителям тока. Это объясняется особым перекрыванием зон, при котором часть электронов переходит с верхних уровней валентной зоны на нижние уровни другой зоны. В результате возникают в равном количестве как свободные электроны, так. и дырки, Проводимость такого металла имеет смешанный (электронно-дырочный) характер. Аномальный (для металлов) знак эффекта Холла обусловлен тем, что дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. й 74. Работа выхода Металлы не приобретают сами по себе положительного заряда. Значит, электроны проводимости не могут самопроизвольно покидать металл в заметном количестве.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
