Металлы со средним значением температуры плавления. Физические свойства полупроводников, страница 3

Зависимость удельной проводимости от температуры при различной концентрации примесей: N_Д1 < N_Д2 < N_Д3

У реальных полупроводников температурное изменение проводимости может существенно отклоняться от рассмотренной зависимости, во-первых, из-за существования нескольких видов дефектов с различной энергией ионизации DЕ_Д, и во-вторых, из-за значительной разницы в подвижности электронов и дырок.

При исследовании температурной зависимости применяют коэффициент температурного сопротивления полупроводника:

.

Пренебрегаем зависимостью μ = μ(Т).

,

.

Здесь  - температурный коэффициент чувствительности полупроводника. Тогда

.

Полупроводниковые приборы, использующие зависимость сопротивления от температуры, называются термисторами (терморезисторами). Они имеют объемное нелинейное полупроводниковое сопротивление с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления α_R. Материалами для изготовления служат смеси окислов различных металлов – Cu, Mn, Zn, Co, Ti, Ni. Из числа отечественных наиболее распространены Co-Mn (КМТ) и Cu-Mn (ММТ).

Проводимость в сильных полях

При Е > Е_критич не выполняется закон Ома, т.к. концентрация электронов и их подвижность зависят от напряженности приложенного электрического поля: n = n(E), μ = μ(Е).

Для большинства полупроводников выполняется закон Френкеля:

, где β – коэффициент нелинейности.

Зависимость от величина поля обусловлена наклоном энергетических зон во внешнем электрическом поле и туннелированием электронов в зону проводимости.

Туннелирование электронов из валентной зоны в зону проводимости под действием сильного поля

Электростатическая ионизация – процесс, связанный с туннельными переходами. Кроме нее возможна ударная ионизация, когда дополнительные электроны появляются за счет столкновения атома с электроном, ускоренным сильным полем.

Изменение концентрации электронов в связи с изменением высоты потенциального барьера между атомами во внешнем поле называется термоэлектронной ионизацией. При наличии примесных доноров концентрация электронов в зоне проводимости может возрастать вследствие понижения величины потенциального барьера для атома донора.

Зависимость σ(Е) используется в полупроводниковых приборах, называемых варисторами. Они имеют нелинейное полупроводниковое сопротивление, изготавливаются из карбида кремния и селена и предназначены для защиты элементов маломощной низковольтной и высоковольтной аппаратуры от перенапряжения, стабилизации напряжения, преобразования частоты.

В сильных полях также наблюдается эффект Ганна, для которого зависимость j(E) имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис.).

Зависимость плотности тока через полупроводник от напряженности поля

На основе полупроводников с эффектом Ганна разрабатываются приборы, генерирующие частоты в диапазоне до 100 ГГц.

Рекомбинация в полупроводниках

Генерация носителей может осуществляться не только вследствие теплового возбуждения, но и в результате других воздействий (световое облучение, действие сильного электрического поля и т.д.). В результате в зоне проводимости и в валентной зоне появляются дополнительные носители заряда.

Dn = n-n₀,

Dр = р-р_0,

где n₀ и р₀ – равновесные концентрации электронов и дырок. Избыточные заряды могут рекомбинировать.

Процесс рекомбинации характеризуется скоростью рекомбинации, равной числу пар носителей, рекомбинирующих в единицу времени в единичном объеме:

.

Различают несколько механизмов рекомбинации:

1)  межзонная (прямая);

2)  рекомбинация с участием ловушек. Например, электрон может переходить на пустой примесный уровень, называемый акцепторным, и рекомбинировать с дыркой из валентной зоны и наоборот.