| 8406202 9216 1210 912 1оседнюю ячейку требует затраты энергии, к-рую он может получить от к.-л. тепловой флуктуации. После перехода покинутая носителем ячейка возвращается в недеформированное состояние, а деформируется та, в к-рую он перешёл. Поэтому след. его переход в 3-ю ячейку снова потребует энергии активации и т. д. Такой механизм движения наз. прыжковым, в отличие от рассмотренного выше зонного, связанного со свободным движением носителей в разрешённых зонах и не требующего затраты энергии на переход из ячейки в ячейку. При прыжковом механизме не имеют смысла такие представления зонной теории твёрдого тела, как квазиимпульс, эффективная масса, время и длина свободного пробега, но понятия средней скорости дрейфа под действием поля и подвижности остаются в силе, хотя уже не описываются формулой (12).
Прыжковый механизм электропроводности характерен для многих аморфных и жидких полупроводников. Носители с энергиями в области псевдозапрещённой зоны переходят от состояния локализованного вблизи одной флуктуации к другой путём таких активированных перескоков (т. к. энергии состояний вблизи разных флуктуации различны, поскольку сами флуктуации случайны и по расположению и по величине). В П. с высокой подвижностью иногда при низких темп-pax также наблюдается прыжковая проводимость (если подавляющее большинство носителей локализовано на примесях, они могут перескакивать с примеси на примесь). Явления переноса в П. с малой подвижностью пока поняты в меньшей мере, чем для П. с зонным механизмом проводимости.
Диффузия носителей. С понятием подвижности связано понятие коэф. диффузии D носителей, хаотичность движения к-рых в отсутствие поля создаёт тенденцию к равномерному распределению их в объёме П., т. е. к выравниванию их концентрации. Если в образце П. есть области повышенной и пониженной концентраций, то в нём возникает "перетекайте" носителей, т. к. число частиц, уходящих из любой области в результате хаотич. движения, пропорционально числу частиц, находящихся в ней, а число приходящих - пропорционально числу частиц в соседних с ней областях. Диффузионные потоки jд, выравнивающие концентрации п, пропорциональны интенсивности теплового движения и перепаду концентраций и направлены в сторону её уменьшения:
[2018-16.jpg]
Это равенство определяет понятие коэф. диффузии D, к-рый связан с подвижностью м. универсальным (если носители тока не вырождены) соотношением Эйнштейна:
[2018-17.jpg]
к-рое, в частности, отражает связь диффузии с интенсивностью теплового движения.
Для неравновесных носителей важной характеристикой является длина диффузии lд - путь, к-рый они успевают пройти диффузионным образом за время своей жизни t.:
[2018-18.jpg]
Величина lд может быть различной, достигая в чистых П. с большой подвижностью 0,1 см (Ge при 300К).
Гальваномагнитные явления в полупроводниках (явления, связанные с влиянием магнитного поля на прохождение тока в П.). Магнитное поле Н, перпендикулярное электрическому Е, отклоняет дрейфующие носители в поперечном направлении и они накапливаются на боковом торце образца, так что создаваемое ими поперечное электрич. поле компенсирует отклоняющее действие магнитного поля (см. Холла эффект). Отношение этого наведённого поперечного поля к произведению плотности тока на магнитное поле (постоянная Холла)в простейшем случае носителей одного типа с изотропной эффективной массой и независящим от энергии временем свободного пробега равно: l/пес, т. е. непосредственно определяет концентрацию п носителей. Магнетосопротивление в этом случае отсутствует, т. к. эдс Холла компенсирует полностью Лоренца силу.
В П. гальваномагнитные явления значительно сложнее, чем в металлах, т. к. П. содержат 2 типа носителей (или больше, напр, тяжёлые и лёгкие дырки и электроны), времена их свободного пробега существенно зависят от энергии, а эффективные массы анизотропны. Магнитное поле отклоняет электроны и дырки в одну сторону (т. к. дрейфуют они в противоположные стороны). Поэтому их заряды и наведённое поле частично компенсируются в меру отношения их концентраций и подвижностей. Если время релаксации зависит от энергии, то дрейфовая скорость и вклад в полный ток носителей разных энергий неодинаковы. Действия магнитного и наведённого поперечного электрич. полей компенсируются только в среднем, но не для каждого носителя, т. к. сила Лоренца пропорциональна скорости, а электрич. сила от неё не зависит, т. е. закручивающее действие магнитного поля как бы уменьшает длину свободного пробега более быстро дрейфующих частиц и тем самым уменьшает ток. Из-за анизотропии эффективных масс носители движутся в направлении поля и вся картина отклонения их магнитным полем меняется.
Изучение гальваномагнитных эффектов в П. даёт обширную информацию о концентрациях носителей, о структуре энергетич. зон П. и характере процессов рассеяния.
Термоэлектрические явления в полупроводниках. Возможности использования термоэлектрических явлений в П. перспективны для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а также для охлаждения. Полупроводниковые термоэлементы позволяют получать кпд преобразования ~10% или охлаждение до 230К. Причиной больших (на неск. порядков больших, чем в металлах) величин термоэдс и коэф. Пельтье (см. Пельтье эффект) в П. является относительная малость концентрации носителей. Электрон, переходя со дна зоны проводимости & с на уровень Ферми EF металла, находящегося в контакте с данным П., выделяет энергию (теплоту Пельтье) П = Ес - ЕFили поглощает её при обратном переходе. С термодинамич. точки зрения ЕFесть химический потенциал электронов и поэтому он должен быть одинаков по обе стороны контакта. В П. в области примесной проводимости величина П = Ес - ЕF определяется условием: n = Nd - Na. При не слишком высокой концентрации примесей она оказывается большой (П = Е0 - ЕF >> kT) и относительно быстро возрастающей с ростом темп-ры, что обеспечивает большие значения П и термоэдс а, связанной с П соотношением: П = аТ.
В металлах ЕF лежит глубоко в разрешённой зоне и из-за очень сильного вырождения в переносе тока принимают участие лишь электроны с энергиями очень близкими к ЕF. Среднее изменение энергии электрона при прохождении контакта двух металлов оказывается поэтому очень малым: П ~ kT.
Контактные явления, р - n-переход. Контакты П. с металлом или с др. П. обладают иногда выпрямляющими свойствами, т. е. значительно эффективнее пропускают ток в одном направлении, чем в обратном. Это происходит потому, что в приконтактной области изменяется концентрация или даже тип носителей тока, т. е. образуется пространственный заряд, обеспечивающий контактную разность потенциалов, необходимую для выравнивания (в состоянии равновесия) уровней Ферми по обе стороны контакта. В отличие от металлов, в П. эта область оказывается достаточно широкой, чтобы при малой концентрации носителей обеспечить нужный перепад потенциала. Если знак контактной разности потенциалов таков, что концентрация носителей в приконтактной области становится меньшей, чем в объёме П., то приконтакт-ный слой определяет электросопротивление всей системы. Внешняя разность потенциалов дополнительно уменьшает число носителей в приконтактной области, если она добавляется к контактной разности потенциалов или, наоборот, увеличивает их концентрацию, если знак её противоположен. Т. о., сопротивление контакта для токов в прямом и обратном направлениях оказывается существенно разным, что и обеспечивает выпрямляющие свойства контакта (барьер Ш о т к и).
Такие контакты явились первыми полупроводниковыми приборами (выпрямители, детекторы), однако развитие полупроводниковой электроники началось лишь после того, как были созданы р - n-пе-реходы (см. Электронно-дырочный переход) - контакты областей П. с разным типом проводимости внутри единого полупроводникового кристалла. Контактная разность потенциалов в этом случае близка к Ширине запрещённой зоны, т. к. ЕFв га-области лежит вблизи дна зоны проводимости Еc, а в р-области - вблизи валентной зоны ЕV. Уменьшающая её внешняя разность потенциалов вызывает диффузионные потоки электронов в р-область и дырок в n-область (инжекцию неосновных носителей тока). В обратном направлении р - n-переход практически не пропускает ток, т. к. оба типа носителей оттягиваются от области перехода. В П. с большой длиной диффузии, таких, как Ge и Si, инжектированные одним р - n-переходом неравновесные носители могут достигать другого, близко расположенного р - n-перехода, и существенно определять ток через него. Ток через р - n-переход можно изменять, создавая вблизи него неравновесные носители к.-л. др. способом, напр/ освещением. Первая из этих возможностей управления током р - n-перехода (ннжекция) является физ. основой действия транзистора, а вторая (фотоэдс) - солнечных батарей.
Горячие носители. Нелинейные явления в полупроводниках. Относительная малость концентрации свободных носителей и их средней энергии в П. (по сравнению с металлами), а также большие длины свободного пробега приводят к тому, что не только концентрации, но и распределение по энергиям носителей тока в соответствующей зоне сравнительно л |
