belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 113
Текст из файла (страница 113)
Метод молекулярной эпитаксии позволяет создать и сверхструктуры, представляющие собой периодическое чередование полупроводников с раз- ными характеристиками. Существует два типа полупроводниковых транзисторов: (р — и — р)-типа и (и — р — и)-типа, которые различаются последовательностью чередования в мопокристалле полупроводников областей с и-или р-типом проводимости.
а 6 На рис. 9.19 а и б изображены схематически Рис. 9.19 сплавной транзистор (р и р)типа, и диффузионный транзистор (и-р-и)-типа. Полупроводниковая основа транзистора на- зывается базой, а примесные области носят названия змиптшер и каллекшар. Энергетическая схема транзистора в отсутствии впавшего напряжения изображена на рис. 9.20 а. При работе транзистора на (р — и)-переход эмит- тер база подается неболыпое постоятптое напряжение в прямом направлении, а на перел ход коллектор-.база постоянное напряжение в обратном направлении. Рассмотрим работу транзистора, включенного по схеме, приведенной на рис. 9.20 б.
Такая схема включения называется схемой Р-тпп р-тпп «с общей базой». Под действием э. д.с. бата- (эипттер)/ ')) коллектор) реи, включенной в цепь эмиттера, из эмит- Р— и-переход Р— и-переход гера в базу через (р — и)-переход устремляется поток дырок, создающий ток эмиттера 1;.
Дырки, попавшие в базу, диффупдируют в ней по всем направлениям (электрическое ) ( Р " Р поле в базе очень слабое), при этом часть " 1, из них рекомбинирует с основными носителями заряда в базе электронами, осталь- Р ные, дойдя до коллекторного (р-7~)-перехода, устремляются через него в коллектор, создавая коллекторный ток.
При изготовлении транзистора в области эмиттера создан>т большую концентрацию акцепторов, а в базе значительно меньшую "::: и концентрацию доноров. Поэтому концентра- в ция свободных дырок в эмиттере значительно больше, чем концентрация свободных электронов в базе. Благодаря этому ток эмиттера определяется главным образом потоком дырок из эмиттера в базу. В то же время, поток электро- нов из базы в эмиттер создает очень неболыцой ток базы, и потому ток коллектора практически равен току эмит"гера. Если включить в цепь эмиттера источник переменного сигнала, то на по- стоянный ток, создаваемый батареей, наложится переменный ток источника ЗБК Рис.
9.20 418 ГЛ. 9. ЭЛЕКТРОНЫ В КРИСТАЛЛАХ сигнала, и поток дырок через эмиттерный переход будет тоже переменным. Изменение тока эмиттера вызывает изменение тока коллектора, и в такой схеме включения происходит усиление по напряжению, т. е.
транзистор работает как усилитель входного сигнала. Основной областью применения полупроводников является, конечно, микроэлектроника. Полупроводниковые материалы составляют основу современных больших и сверхбольших интегральных схем -- монолитных функциональных узлов, все элементы которых изготовляются в одном технологическом процессе. Полупроводниковые материалы используют не только в микроэлектронике, но и для создания «силовых» электронных приборов — вентилей, тиристоров, мощных транзисторов.
На основе (р — ц)-перехода делают не только диоды, но и солнечные батареи, светодиоды, и другие приборы. Используются полупроводниковые магериалы также для создания приборов сверхвысокочастотного диапазона (в области длин волн от десятков сантиметров до долей миллиметра), детекторов ядерных частиц. На основе полупроводниковых материалов изготовляются термохолодильники, тензодатчики, высокочувствительные термометры, датчики магнитных полей и многие другис устройства. При этом используются различные явления, связанные с чувствительностью полупроводников к впепшим воздействиям (изменении) температуры, действию света, электрических и магнитных полей), а также поверхностные свойства —.
контакт металл-полупроводник, полупроводник диэлектрик и их сочетания. В заключении этого раздела рассмотрим принцип действия полевого транзистора, получившего в по- 5~0., следнее время широкое распростраи* — — — — и' ) пение. Полевой транзистор это Р-91 7 транзистор, в котором управление протекающим через него током осуРис.
9.21 ществляется электрическим полем, перпендикулярным направлению тока. Принцип работы полевого транзистора поясняется на рис. 9.21. Токовводы осуществляются через и-типа области на концах полупроводника с дырочным типом проводимости. Тонкая пластинка полупроводника (капал) снабжена двумя омическими электродами (истоком Я и стоком Р). Между истоком и стоком расположен третий электрод затвор. Напряжение Ъд, приложенное между затвором и любым из двух электродов, приводит к появлению «подзатворной» области канала электрического поля. Влияние этого поля приводит к изменению количества носителей заряда в канале вблизи затвора и.
как следствие., изменяет сопротивление канала. Изготовляются полевые транзисторы главным образом из % и Салэ. Как правило, в кремниевых полевых транзисторах монокристалл кремния, являющийся каналом транзистора, окисляется и образуется на его поверхности диэлектрический слой из %09, па который наносится слой алюминия (затвор). Поэтому такие системы называются МДП-структурами (металл — диэлектрик — полупроводник). Область затвора представляет собой фактически конденсатор, в котором одной обкладкой служит металлический электрод затвора, а другой канал полевого транзистора. Чем выше напряжение на затворе, тем более канал обогащается 9.8. КВАНТОВЫйг ЭФФЕКТ ХОЛЛА носителями тока. Для полевых транзисторов характерны очень высокое входное сопротивление, малые шумы и быстродействие. 9.8.
Квантовый эффект Холла еЕв — — ео.В, = ЬВ и (9.72) г/ге плотность тока /,. = гг.егг,. Если толщина образца равна з, а его ширина у, то ток 1 через образец и э. д. с. Холзга разность потенциалов между боковыми сторонами образца будут равны 1 =/,уз, 'гх=Е,у. (9.73) С учетом соотношения (9.72) мы получаем следующее выражение для э. д. с. Холла: (9.74) пе з Таким образом, мы видим, гто возникающая разность потенциалов пропорциональна величине магнитного поля и току через образец. Коэффициент пропорциональности В между ~г' и В„1, называется константой Холла, и, как видно, она определяется только концентрацией носителей тока.
Когда вклад в проводимость обусловлен и электронами и дырками, выражение для постоянной Холла имеет более сложный вид. Следует отметить, что знак э. д. с. Холла зависит от знака носителей тока. Для свободных электронов постоянная Холла отрицательна, положительная постоянная Холла означает, что носителями тока являются положительные заряды.
В частности, как известно, вакантные состояния в верхней части почти заполненной зоны (дырки) ведут себя так, как если бы они обладали положительным зарядом. Постоянная Холла значительно большо для полупроводников, чем для металлов. Это связано с тем, что величина п у полупроводников значительно меньше,чем у металлов. Эффект Холла подробно рассмотрен в 1 томе (см.
часть 2, 2 5.6) и заключается в следующем. Если пропустить ток вдоль проводника, находящегося в магнитном поле, перпендикулярном движению тока, то в поперечном направлении возникает э. д. с. (э. д. с. Холла), причем ее направление перпендикулярно магнитному полю. Еще раз кратко перечислим основные законо- х мерности этого эффекта. у / Пусть, как показано иа рис. 9.22, электрон движется по оси т, магнитное поле приложено по г/э оси з, а холловское поле направлено по оси у. Если электрические заряды при своем движении не отклоияются, значит сила Лореггца ец, В, равна кулоновской еЕу (Ев напряженность возникающего электрического поля, которую мы для простоты Рис.
9.22 будем считать постоянной по образцу, как это имеет место в плоском конденсаторе)., и при концентрации носителей заряда и и их средней скорости и„ мы имеем 420 ГЛ. 9. ЭЛЕКТРОНЫ В КРИСТАЛЛАХ Эффект Холла позволяет легко определить, каков знак и концентрация носителей в исследуемом веществе (это может быть как металл, так и полупроводник). С другой стороны, линейная зависимость э.д.с.
Холла от В широко используется для изморения напряженности магнитного поля. Реально с помощью магнитометра на основе э~эфекта Холла можно измерять магнитные поля с чувствительностью 10 Тл при температурах от = 0 К до 1000 К. Тесламетры Холла применяются для контроля магнитных систем электроизмерительных и электронных приборов, для измерения магнитной индукции в зазорах электродвигателей, генераторов, электромагнитных реле, для измерения и анализа постоянных, переменных и импульсных магнитных полей.
При изучении эффекта Холла в двумерном электронном газе крем- гх пивного полевого транзистора (в МДП-структуре электроны движут- ~'=3 ся в очень тонком приповерхностном слоо полупроводника), помо- 1'=4 щенного в магнитное поле, Клаус »г фон Клитцинг в 1980 г. обнаружил, что холловское сопротивление г 1О 1х (1~, которое в условиях обычного эффекта Холла, как следует из формулы (9.74), обратно пропорци- 0 1 3 5 7 онально концентрации носителей заряда п, при изменении п то остается постоянным, то резко изменяется, переходя с одного уровня на другой. Вместо монотонного убывания в зависимости г (и) наблюдались «ступеньки» см.
рис. 9.23. Холловское сопротивление на г-й ступеньке оказывается равным г. = 67'(ге ), (9.75) т. е. определяется такими фундаментальными константами, как постоянная Планка и заряд электрона, и не зависит от свойств вещества. Еще одним удивительным экспериментальным фактом оказалось практически полное исчезновение продольного сопротивления образца при тох же значениях внешнего магнитного поля, при котором г = сопз1.
Это новое физическое явление назвали квантовым эффектом Холла. На рис. 9.23, где изображен квантовый эффект Холла плато в холловском сопротивлении, появляющиеся в сильных магнитных полях при низких температурах ( 10 мК), -- цифрами указаны номера уровней Ландау (о них речь ниже), на которых проявляется квантование. На этом же рисунке показано изменение продольного сопротивления с полем. Рассмотрим качественно физическую картину квантового эффекта Холла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
