Словарь (стр. 42 )

Возможен также переход эл-на из зоны проводимости или дырки из ва­лентной зоны в состояния, локализо­ванные вблизи примесей или дефектов («захват» носителей). При термодина­мич. равновесии тепловая генерация носителей и ионизация доноров и ак­цепторов уравновешивают процессы рекомбинации и захвата. При появле­нии в П. неравновесных носителей чис­ло актов рекомбинации и захвата воз­растает. Т. о., после прекращения внеш. воздействия рекомбинация про­исходит интенсивнее, чем генерация, и концентрация носителей прибли­жается к равновесному значению. Ср. время жизни т неравновесных носите­лей в П. варьируется от 10-3 с до 10-10 с.

Кинетические свойства. При нало­жении внеш. электрич. поля в П. возникает направленное движение (дрейф) носителей, обусловливающее протекание тока. Скорость дрейфа vдр пропорц. напряжённости Е элек­трич. поля: vдр=μЕ. Коэфф. μ наз. подвижностью носителей тока. В раз­ных П. μ варьируется в широких пределах (от 105 до 10-3 см2/В•с и меньше при T=300 К). При μ≥1 см2/В•с электропроводность П. осуществляется посредством движения носителей в разрешённых зонах, из­редка прерываемого столкновениями с решёткой; при этом длина свободного пробега носителей в сотни или тысячи раз превышает межатомные расстоя­ния в кристалле. При меньших значе­ниях μ имеет место прыжковая прово­димость.

Носители, дрейфующие в электрич. поле в присутствии перпендикулярно­го к нему внеш. магн. поля, отклоня­ются в поперечном направлении под действием Лоренца силы. Это приводит к возникновению Холла эффекта и др. галъваномагнитных явлений. В П. эти явления обладают рядом особенностей, обусловленных наличием неск. типов носителей заряда, зависимостью вре­мени их свободного пробега от энергии и сложным энергетич. спектром. Изу­чение гальваномагн. явлений в П. даёт информацию о концентрациях но­сителей, структуре энергетич. зон и характере процессов рассеяния носи­телей. Это относится и к термомагн.

явлениям, когда дрейф эл-нов обуслов­лен градиентом темп-ры.

При неоднородном распределении концентрации носителей в П. воз­никает в результате их диффузии по­ток носителей с плотностью jд=-Dgradn. Коэфф. диффузии D свя­зан с подвижностью (г носителей соот­ношением Эйнштейна:

D=kTμ/e. (7)

Путь, к-рый диффундирующие нерав­новесные носители успевают пройти за время жизни т, наз. диффузионной длиной; он равен: lD=√Dτ.

Контактные явления. с металлом или с др. П. обладают иногда выпрямляющими свойствами, т. е. значительно эффективнее про­пускают ток в одном направлении, чем в обратном. Это связано с из­менением концентрации или типа но­сителей тока в приконтактной обла­сти и с возникновением контактной разности потенциалов. Напряже­ние, приложенное к контакту, в зави­симости от его знака увеличивает либо уменьшает число носителей в прикон­тактной области, так что сопротивле­ние контакта в прямом и обратном на­правлениях оказывается существенно различным (см. Электронно-дырочный переход, Гетеропереход, Шотки барьер).

Горячие электроны, неустойчивости в полупроводниках. В сильных элек­трич. полях (~100—1000 В/см) воз­можно изменение распределения носи­телей по энергиям. Это приводит к увеличению ср. энергии (к разогреву) носителей; изменяются и др. парамет­ры — время свободного пробега, под­вижность, коэфф. диффузии и т. п. (см. Горячие электроны). Разогрев носителей приводит к отклонениям от закона Ома, причём характер этих отклонений весьма различен для раз­ных П. и даже для одного и того же П., в зависимости от темп-ры, приме­сей, наличия магн. поля и т. п.

Если в нек-рой области полей Е с ростом Е ток убывает, то равномерное распределение поля в образце оказы­вается неустойчивым и спонтанно воз­никают движущиеся в направлении тока области (домены), в к-рых поле значительно больше, а концентрация носителей меньше, чем в остальной части П. Прохождение доменов сопро­вождается периодич. колебаниями то­ка, так что П. оказывается генератором электрич. колебаний с частотой до 1011 Гц (см. Ганна эффект).

В П., обладающих пьезоэлектрич. свойствами (см. Пьезополупроводники), нелинейные эффекты возникают также из-за отклонения от равновесного рас­пределения фононов. В этих в-вах по­ток носителей становится интенсивным излучателем упругих волн, когда дрей­фовая скорость носителей превышает скорость звука (см. Акустозлектроннов взаимодействие).

Отклонения от закона Ома могут быть вызваны также изменением кон­центрации носителей под действием

566

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВАЖНЕЙШИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

электрич. поля, напр. из-за уменьше­ния вероятности рекомбинации или за­хвата на примеси с ростом энергии. Са­мым распространённым механизмом изменения концентрации носителей в сильном поле явл. ударная ионизация, при к-рой носители, набравшие в поле энергию, большую оg, сталкиваясь с эл-нами валентной зоны, «выбрасы­вают» их в зону проводимости, созда­вая тем самым новые электронно-ды­рочные пары.

В достаточно сильном поле рождён­ные в результате ударной ионизации неравновесные носители могут за вре­мя своей жизни создать новые пары, и тогда процесс нарастания концентра­ции носителей принимает лавинооб­разный характер, т. е. происходит пробой П. В отличие от пробоя диэлек­триков, пробой П. не сопровождается разрушением кристалла, т. к. пробив­ные поля для П. относительно невели­ки (≤105 В/см, в InSb≈250 В/см). Специфичный для П. пробой, связанный с ударной ионизацией примесей, имеющих малую энергию ионизации, при низких темп-рах происходит в полях ~1—10 В/см.

Электрич. поле может и непосредст­венно перебрасывать валентный эл-н в зону проводимости, т. е. генериро­вать электронно-дырочные пары. Этот эффект связан с «просачиванием» эл-на под действием внеш. поля через запре­щённую зону (см. Туннельный эффект). Он наблюдается обычно лишь в весьма сильных полях, тем больших, чем боль­ше оg. Такие поля, однако, реализу­ются во многих приборах; в ряде слу­чаев туннельный эффект определяет характеристики этих приборов (тун­нельный диод).

Исторические сведения. как особый класс в-в, были известны ещё с кон. 19 в., только развитие квант. теории твёрдого тела позволило по­нять их особенности (Уилсон, США, 1931). Задолго до этого были обнару­жены эффект выпрямления тока на

контакте металл — П., фотопроводи­мость и построены первые приборы на их основе. (1923) доказал возможность использования контактов П.— металл для усиления и генерации колебаний (крист. детектор). Однако в последующие годы крист. детекторы были вытеснены электронными лам­пами и лишь в нач. 50-х гг. с открыти­ем транзисторов (Дж. Бардин. У. Браттейн, , США, 1949) началось широкое использование П. (гл. обр. Ge и Si) в радиоэлектронике (см. Полупроводниковые приборы). Од­новременно началось интенсивное изу­чение свойств П., чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легирования.

В СССР исследования П. начались в кон. 20-х гг. под руководством в Физико-технич. ин-те АН СССР. Многие из осн. теор. поня-

567

тий впервые сформулировали , , и др. Они же, изучая свойства П., указали на возможности их техн. применений. Интерес к оптич. свойствам П. воз­рос в связи с открытием вынужденного излучения в П., что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на р — n-переходе [Р. Холл (США) и , и др. (СССР)], а затем на гетеропереходах (Ж. И. Ал­фёров и др.).

• С м и т Р., Полупроводники, пер. с англ., изд., М., 1982; , Физика полупроводников, М., 1967; Б л а т т Ф., Физика электронной проводи­мости в твердых телах, пер. с англ., М., 1971; Физика полупроводников, пер. с англ., М., 1977; , Введение в теорию полупроводников, М., 1978; Б о н ч-Б р у е в и ч В. Л., Калаш­ников С. Г., Физика полупроводников, М., 1977.

.

полупроводниковые матери­алы, совокупность веществ с чётко выраженными свойствами полупровод­ников в широком интервале темп-р, включающем комнатную темп-ру Т~300 К, применяющихся для изготов­ления полупроводниковых приборов. м. можно разбить на неск. групп. 1) Элементарные: Ge, Si (и их тв. растворы), углерод (алмаз и гра­фит), В, серое олово, Те и Se. Обладая 4 валентными эл-нами, атомы Ge и Si образуют крист. решётки типа алмаза, где каждый атом имеет 4 ближайших соседа, с каждым из к-рых он связан ковалентной связью. Монокристаллы Ge и Si — осн. П. м. в полупроводни­ковом приборостроении. Они должны обладать высокой чистотой (содержа­ние посторонних примесей <10-7—10-8%). В них вводят строго дозируе­мое микроколичество донорных (Р, As, Sb) и акцепторных (В, Al, Ga, In) примесей (легирование). Монокристал­лы выращивают методами Чохральского и бестигельной зонной плавки, а также эпитаксиальным выращиванием тонких крист. слоев (от долей до сотен мкм) при кристаллизации из газовой фазы (см. Эпитаксия).

2) Соединения элементов III и V групп периодич. системы — П. м. типа AIIIBV (см. табл. на стр. 567). Связь в крист. решётке носит ковалентный характер с нек-рой долей ионной составляющей. м. типа AIIIBV образуют непрерывный ряд тв. растворов — тройных и более слож­ных. (GaxAl1-xAs, GaAs1-xPx, GaxIn1-xP и т. д.), также являющих­ся П. м. Монокристаллы AIIIBV полу­чают (из особо чистых материалов) кристаллизацией из расплавов (метод Чохральского, горизонтально направ­ленная или зонная кристаллизация в контейнере), а эпитаксиальные слои — кристаллизацией из газовой фазы и расплавов — растворов. Типичные ле­гирующие примеси: элементы II груп­пы (Zn, Cd, Mg) — акцепторы и IV и VI групп (Sn, Те, Se, S) — доноры.