Воздействие внешних факторов на электропроводность

Полупроводников

У полупроводников есть хоть и узкая, но запрещенная зона. Чтобы увеличить электропроводность полупроводника, нужно подвести энергию извне. Рассмотрим основные способы подведения энергии.

Увеличение температуры. Рассмотрим полупроводник с примесями. Для примесного полупроводника электропроводность равна (рис.10):

γ = γ₁·exp  + γ₂·exp ,

где γ – удельная электрическая проводимость, См/м;

ΔW – ширина запрещенной зоны собственного полупроводника, эВ;

ΔW1 – энергия ионизации примесей; Т – абсолютная температура, К;

k – постоянная Больцмана; γ₁ и γ₂ – множители, не зависящие от температуры, они равны проводимости γ при Т = ∞, т. е. когда все валентные электроны перешли в зону проводимости.

Рис.10. Влияние температуры на проводимость полупроводника

В области низких температур проводимость возникает только за счет примесей. Однако при дальнейшем нагревании происходит истощение примесей, и рост проводимости прекращается. И лишь при высоких температурах начинается дальнейший рост проводимости вследствие перехода электронов основного полупроводника через запрещенную зону.

Воздействие света. Электропроводность полупроводника увеличивается под воздействием потока фотонов. Энергия фотона (в электрон-вольтах) равна

W_Ф = ,

где λ – длина волны, мкм.

Поэтому существует граничная длина волны, для которой выполняется условие W_Ф < ΔW. Например, ширина запрещенной зоны германия

ΔW = 0,72 эВ, пороговая длина волны λ = 1,8 мкм, она лежит в инфракрасной области спектра.

Влияние сильных электрических полей. Электропроводность полупроводников зависит от напряжённости электрического поля. При низких значениях напряжённости (до Е_к) соблюдается закон Ома и удельная проводимость не зависит от напряжённости поля, а при более высоких напряжённостях поля начинается рост удельной проводимости по экспоненциальному закону:

γ = γ_о·ехр(β· ),

где γ_о – удельная проводимость полупроводника при Е < Е_к;

β – коэффициент, характеризующий полупроводник.

Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, так как под влиянием поля они получают дополнительную энергию и более легко освобождаются тепловым воздействием. Однако при дальнейшем увеличении напряжённости  начинается ударная ионизация, приводящая к разрушению структуры полупроводника (при W = mυ²/2 > ΔW).

Влияние механических усилий. Электропроводность полупроводников изменяется вследствие увеличения или уменьшения междуатомных расстояний. Ширина запрещенной зоны может как увеличиваться, так и уменьшаться при сближении атомов, и у разных полупроводников одна и та же деформация может вызывать как увеличение, так и уменьшение удельной проводимости. На данном принципе основаны тензодатчики, они фиксируют деформацию.

ЛЕКЦИЯ №11

Простые полупроводники

Из десяти элементов, обладающих свойствами полупроводников,  наибольшее применение в технике нашли германий и кремний.

Германий – один из наиболее тщательно изученных полупроводников, и многие явления, характерные для полупроводников, впервые экспериментально были обнаружены на этом материале.

Содержание германия в земной коре невелико, около 7·10^-4 %. Для полупроводников необходим тщательно очищенный германий. Один из способов очистки – метод зонной плавки.  Германий применяется для изготовления выпрямителей, транзисторов, фоторезисторов, фототранзисторов и т. д. Рабочий диапазон температур германиевых приборов – от –60 до +70 ^оС. Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.

Кремний, как и германий, относится к IV группе таблицы Д. И. Менделеева. Он является одним из самых распространенных элементов в земной коре, его содержание составляет примерно 29 %. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается.

Технический кремний (около одного процента примесей), получаемый восстановлением из диоксида (SiO₂) в электрической дуге между графитовыми электродами, широко применяется в черной металлургии как легирующий элемент (например, в электротехнической стали). Технический кремний как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для производства кремния полупроводниковой чистоты, содержание примесей в котором должно быть менее 10^-6 %. Технология получения кремния полупроводниковой чистоты очень сложна, она включает несколько этапов. Конечная очистка кремния может выполняться методом зонной плавки, при этом возникает ряд трудностей, так как температура плавления кремния значительно выше температуры плавления германия.

В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, стабилитронов, тиристоров и т. д. У кремния верхний предел рабочей температуры приборов может составлять в зависимости от степени очистки материалов 120–200 ^оС, что значительно выше, чем для германия.