Реферат: Свойства полупроводников в сильных электрических полях
Незначительные изменения dЭ вызывают существенные изменения концентрации носителей заряда. Рассматриваемый эффект проявляется при 106 В/м, а теория развита П. И. Френкелем.
Ударная ионизация.
Свободный электрон, ускоряясь под действием большой напряжённости электрического поля на длине свободного пробега, может накопить энергию, достаточную для ионизации примеси или собственного атома полупроводника. Ионизацию могут вызывать и дырки, так как движение дырок является лишь способом описания движения совокупности электронов валентной зоны полупроводника.
Количественно процесс ударной ионизации характеризуется коэффициентами ударной ионизации, которые численно равны количеству пар носителей заряда, образуемым первичным носителем на единице пути. По аналогии с теорией электрического разряда в газах, коэффициенты ударной ионизации в полупроводниках обозначают an и ap . Коэффициенты ударной ионизации очень сильно зависят от напряжённости электрического поля. Для практических расчётов часто пользуются эмпирической аппроксимацией
где m = 5 ~ 8 (зависит от материала), A = const.
Туннельный эффект (или электростатическая ионизация).
Сильному электрическому полю в проводнике соответствует большой наклон энергетических зон (рис.5). В этих условиях электроны могут переходить сквозь узкий потенциальный барьер (толщиной Dх) без изменения своей энергии - туннелировать благодаря своим квантово-механическим свойствам. Т. к. процесс туннелирования происходит вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то этот процесс можно считать аналогичным автоэлектронной эмиссии или холодной эмиссии электронов из металла.
Вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости и, наоборот, из зоны проводимости в валентную зону одна и та же. Но переход электронов из валентной зоны преобладает, поскольку их там значительно больше, чем в зоне проводимости. Поэтому концентрация носителей заряда растёт при туннелировании.
Туннельный эффект в полупроводниках проявляется при очень больших напряжённостях электрического поля: в кремнии при E = 106 В/м, в германии при E = 105 В/см. Напряжённости электрического поля, при которых появляется эффект туннелирования, различны для различных материалов, т. к. толщина потенциального барьера (D) зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника при неизменной напряжённости электрического поля, т. е. при неизменном наклоне энергетических зон.
ЭФФЕКТ ГАННА
полупроводник энергетический электрический заряд
К эффектам сильного поля, обусловленным изменением подвижности носителей заряда, относится также эффект Ганна, открытый в 1963 г. Сущность его заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник постоянного электрического поля высокой напряжённости.
Впервые эффект Ганна наблюдался в образцах из арсенида галлия GaAs и фосфида индия InP с электропроводностью n - типа. Пороговая напряжённость поля для GaAs составляет 0,3 МВ/м, а для InP - около 0,6 МВ/м.
Для объяснения эффекта Ганна необходимо учесть сложное строение зоны проводимости полупроводников, которое не отражают простейшие энергетические диаграммы. Напомним:
h·k - импульс частицы в кристалле
эффективная масса частицы.
волновое число, где l - длина волны де Бройля;
где h - постоянная Планка, p – импульс.
Если на диаграмме Э - k (рис.6) кривая имеет выпуклость вниз, как это соответствует окрестности точки Эс , то m* > 0. Если же кривая имеет выпуклость вверх (окрестность точки Эв ), то m* < 0. В этом случае частица будет ускоряться в направлении, противоположном направлению ускорения электрона, т. е. будет вести себя как некоторая воображаемая частица с положительной массой и зарядом. В рамках метода Э - k - диаграммы эту частицу называют "дыркой".
Волновое число:
где N - порядковый номер атома в кристалле;
L = a + b - период потенциала кристаллической решётки прямоугольной формы (a - ширина области с нулевым потенциалом, b - ширина области с потенциалом U0 ); n=1,2,3...
В реальных полупроводника диаграмма Э - k зависит от ориентации вектора k относительно осей решётки:
