3.5.1. Влияние температуры на электропроводность полупроводников
3.5.2. Влияние деформации на электропроводность полупроводников
3.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводников
3.5.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников
3.5.1. Влияние температуры на электропроводность полупроводников
В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, изображенные на рис. 3.6.
Рис.3.6. Типичные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике от температуры при различной концентрации донорной примеси
В области низких температур участок нижней ломаной между точками а и б характеризует только концентрацию носителей, обусловленную примесями. Наклон прямой на этом участке определяется энергией активации примесей. С увеличением температуры число носителей, поставляемых примесями, возрастает, пока не истощатся электронные ресурсы примесных атомов (точка б). На участке б – в примеси уже истощены, перехода электронов через запрещенную зону еще не обнаруживается. Участок кривой с постоянной концентрацией носителей заряда называют областью истощения примесей. В дальнейшем температура настолько велика, что начинается быстрый рост концентрации носителей вследствие перехода электронов через запрещенную зону ( участок в – и). Наклон этого участка характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника. Угол наклона участка а – б зависит от концентрации примесей.
Вторая компонента, обуславливающая электропроводность полупроводников – подвижность носителей заряда. При повышении температуры энергия электронов, а следовательно, и подвижность увеличивается. Но, начиная с некоторой температуры Т усиливаются колебания узлов кристаллической решетки полупроводника, которые мешают перемещению свободных носителей зарядов. Следовательно, их подвижность падает (рис.3.7.).
Рис.3.7. Зависимость подвижности носителей заряда в полупроводниках от температуры.
Рассмотрев влияние температуры на концентрацию и подвижность носителей заряда, можно представить и характер изменения удельной проводимости при изменении температуры (рис.3.8).
Рис.3.8. Кривые зависимости удельной проводимости полупроводников от температуры при различных концентрациях примеси (NД1>NД2>NД3).
В ПП с атомной и ионной кристаллической решеткой подвижность меняется при изменении температуры сравнительно слабо ( по степенному закону), а концентрации – очень сильно ( по экспоненциальному ). Поэтому температурная зависимость удельной проводимости похожа на температурную зависимость концентрации. В области истощения (концентрация постоянна) изменение удельной проводимости обусловлено температурной зависимостью подвижности (рис.3.8).
При Т=0К электроны не обладают подвижностью, поэтому ПП становятся диэлектриками.
3.5.2. Влияние деформации на электропроводность полупроводника
Электропроводность твердых кристаллических тел изменяется от деформации вследствие увеличения или уменьшения межатомных расстояний, приводящего к изменению концентрации и подвижности носителей зарядов. Подвижность носителей изменяется из-за изменения амплитуды колебания узлов кристаллической решетки при их сближении или удалении.
Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительность:
(3.8)
которая представляет собой отношение относительного изменения удельного сопротивления полупроводника к относительной деформации в данном направлении.
3.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводника
Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количества носителей зарядов, приводящего к возрастанию электропроводности.
Фотопроводимостью называют увеличение электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения.
Изменение электрических свойств полупроводника под действием электромагнитного излучения носит временный характер. После прекращения облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. У одних полупроводников это длится микросекунды, у других измеряется минутами и, даже, часами. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например, фоторезисторов, к которым предъявляются высокие требования в отношении их быстродействия.
Кроме того, по быстроте возрастания или затухания фотопроводимости соответственно после включения или выключения света, можно определить время жизни t 0 неравновесных носителей заряд в ПП.
Когда мы рассматривали концентрацию носителей заряда в примесном полупроводнике, мы имели в виду равновесную концентрацию, т.е. когда число свободных носителей заряда равно числу ионов примеси.
Под действием различных энергетических воздействий может возникнуть неравновесная концентрация зарядов, т.е. образование дополнительных электронно-дырочных пар. После прекращения этого воздействия электроны и дырки рекомбинируют, и концентрация вновь становится равновесной.
Процесс рекомбинации электронов и дырок может происходить либо прямым путем из зоны в зону, либо косвенным, через локальные энергетические уровни в запрещенной зоне, называемые центрами рекомбинации или ловушками, либо косвенным, через локальные энергетические уровни в запрещенной зоне, называемые центрами рекомбинации или ловушками.
Рис. 3.9. Прямая рекомбинация и рекомбинация (а),
Рис. 3.9. Косвенная рекомбинация, через незаполненные уровни примеси б) и заполненные в).
Второй механизм рекомбинации более вероятен, т.к. здесь движется только один носитель заряда, и вероятность сближения их на расстояние, при котором возможна рекомбинация (» 0,1 нм), значительно выше, чем в случае, когда оба носителя заряда перемещаются по кристаллу.
Ловушки создаются примесями, имеющими энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны полупроводника. Это медь, никель, кобальт, золото. Дефекты решетки, донорные и акцепторные примеси также могут создавать центры рекомбинации.
Итак, время жизни неравновесных носителей зарядов t 0 – время, за которое концентрация их в полупроводнике убывает в 2.7 раза.
Расстояние, на котором в однородном полупроводнике при одномерной диффузии в отсутствие электрического и магнитного полей избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшится в 2.7 раза, т.е. среднее расстояние, на которое носители диффундировали за время жизни, называется диффузионной длиной.
Решая уравнение диффузии, можно получить выражение, связывающее диффузионную длину с временем жизни:
Ln = √Dn× tn , Lp = √ Dp· tp (3.9)
где D – коэффициент диффузии носителей заряда соответствующего типа.
3.5.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников
В сильных электрических полях нарушается пропорциональность между плотностью тока в полупроводнике и напряженностью внешнего электрического поля:
J = γ× E, (3.10)
где J – плотность тока, γ- коэффициент пропорциональности, Е- напряженность внешнего электрического поля.
Рис. 3.10. Зависимость электропроводности от напряжения электрического поля.
Это является следствием физических процессов, вызывающих изменение удельной проводимости полупроводника. Напряженность поля, которую условно можно принять за границу между областью слабых 1 и сильных 2 полей (рис. 3.10.), называют критической Екр. Эта граница не является резкой и определенной и зависит от природы полупроводника, концентрации примесей и температуры окружающей среды. Для ряда ПП зависимость удельной проводимости от напряженности поля описывается выражением:
γЕ = γ× exp b √Е (3.11)
где γ- удельная проводимость полупроводника при Е< Екр, b - коэффициент, характеризующий полупроводник.
Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, т.к. под влиянием поля они более легко освобождаются тепловым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появиться механизм ударной ионизации, приводящий к разрушению структуры полупроводника.