30. Температурная зависимость концентрации носителей заряда. Для малой концентрации донорной примеси N_д1 в области низких температур (1-4) рост концентрации электронов при нагревании полупроводника (ПП) объясняется ростом степени ионизации доноров (активация примеси). Наклон прямой характеризует энергию ионизации примесей. В точке 4 все электроны с примесных уровней оказываются переброшенными в зону проводимости. При этом вероятность возникновения собственных носителей заряда ПП еще ничтожно мала, так что в 4-6 концентрация носителей заряда остается постоянной и практически равна концентрации доноров. 4-6 – область истощения примесей. При высоких Т (за точкой 6) главную роль начинают играть собственные носители ПП, электроны ПП перебрасываются через запрещенную зону в зону проводимости, происходит переход в область собственной электропроводности, где концентрация электронов равна концентрации дырок, а крутизна кривой определяется запрещенной зоной ПП. Температура перехода к собственной электропроводности намного больше комнатной

N_д2 всё точно так же, только из за большего количества примеси область её активации также увеличивается. Энергия же активации уменьшается из-за того, что уменьшается расстояние между примесными атомами и растет взаимодействие между ними, их электронные оболочки сильнее взаимодействуют.

N_д3 энергия ионизации обращается в 0, тк примесная зона перекрывается зоной проводимости. Такой ПП наз-ся вырожденным. Вырожденный ПП способен проводить ток даже при очень низких Т, что роднит его с металлами. Поэтому их иногда называют полуметаллами.

На рисунке: Зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике от температуры при различных концентрациях донорной примеси, N_д1<N_д2<N_д3.

31. Подвижность носителей заряда в полупроводниках.

Удельная проводимость ПП определяется:

В примесных ПП одним из слагаемых можно пренебречь.

С огласно экспериментам, у некоторых ПП и даже некоторых диэлектриков подвижность может быть в сотни раз больше, т.е. электроны в плохо проводящих кристаллах могут двигаться более свободно, чем в металлах. Эта подвижность обуславливается большим временем пробега или точнее времени релаксации. Время релаксации, характеризующее уменьшение тока после снятия поля, определяется процессами рассеяния движущихся в ПП электронов. Чем больше частота столкновений и чем они интенсивнее, тем меньше время релаксации, а следовательно и подвижность.

Причинами рассеяния носителей заряда в ПП являются: 1)Тепловые колебания атомов или ионов кристаллической решетки; 2)примеси в ионизированном или в нейтральном состоянии; 3) дефекты решетки (пустые узлы, искажения, вызванные атомами внедрения, дислокации, трещины, границы кристаллов и т. д. )

На рисунке: температурная зависимость подвижности заряда для невырожденного ПП при различных концентрациях примеси. При росте концентрации примеси максимум подвижности уменьшается и смещается в область более высоких температур.

3 2. Температурная зависимость концентрации носителей заряда. Чем больше концентрация примеси в ПП, к примеру, с донорной примесью, тем больше электронов поставляется в зону проводимости при данной температуре, тем выше значение удельной проводимости. С изменением содержания примесей смещается и температура перехода к собственной электропроводности. Повышая степень чистоты материала, можно добиться наступления собственной электропроводности даже при комнатной температуре.

У вырожденного ПП (N_д3) концентрация носителей заряда не зависит от Т, а температурная зависимость удельной проводимости в области примесной электропроводности подобна изменению удельной проводимости металлов.

У реальных ПП температурное изменение проводимости может значительно отличаться по ряду причин: на практике в материалах имеется не один, а несколько видов примесных дефектов, у которых энергии ионизации (активации) могут быть различными; подвижности электронов и дырок различаются, что также может являться причиной появления отклонений в температурной зависимости.

33. Неравновесные носители заряда и механизмы рекомбинации.

При любой температуре не равной нулю в ПП за счет теплового возбуждения происходит генерация электронов и дырок. Если бы был только этот процесс, то концентрация носителей возрастала бы до полной ионизации атомов. Но вместе с процессом генерации существует встречный процесс процесс – рекомбинация ностелей. Между этими процессами устанавливается равновесие.

Помимо тепловой генерации возможны и другие механизмы появления носителей заряда: при облучении светом, при воздействии сильного электрического поля, при инжекции через контакт и др.

Различают несколько механизмов рекомбинации:

Межзонная, также называется прямой; происходит при переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энергетических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда – свободного электрона и дырки – рис.4.12 а. Маловероятен из-за необходимости одновременного присутствия в одном и том же месте электрона и дырки, их импульсы должны быть одинаковы по модулю для выполнения закона сохранения импульса.

С участием ловушек. Механизм делят на 2 этапа, а основной особенностью являются энергетические уровни, называемые рекомбинационными ловушками – примеси и дефекты, создающие в запрещенной зоне энергетические уровни, достаточно удаленные от её краев. Если в исходном состоянии уровень ловушки оказывается свободным, то первым этапом рекомбинации является захват электрона из зоны проводимости, а после того, как к ловушке переместится дырка, электрон перейдет на свободный уровень в валентной зоне – 4.12 б)

Если в исходно состоянии уровень ловушки занят электроном, то первым этапом рекомбинации будет захват дырки из валентной зоны, что эквивалентно переходу электрона с уровня ловушки на свободное состояние валентной зоны. На втором этапе рекомбинации ловушка принимает носитель заряда противоположного знака, т.е. электрон их зоны проводимости. Двухступенчатый процесс рекомбинации более вероятен.

3 4. Что такое ловушки захвата. Кроме рекомбинационных ловушек в запрещенной зоне ПП существуют уровни, которые могут захватывать носители только одного какого-либо типа. Такие уровни называют ловушками захвата. Носитель заряда, находящийся на таком уровне, через некоторое время освобождается и снова участвует в электропроводности. Этот процесс может повторяться. Для ловушек захвата процесс теплового освобождения захваченных носителей заряда более вероятен, чем процесс рекомбинации. Ловушками захвата являются примеси или дефекты, создающие мелкие уровни в запрещенной зоне. Характерная особенность ловушек захвата состоит в том, что они взаимодействуют только с одной зоной – з. проводимости либо валентной.

3 5. Оптические и фотоэлектрические явления в ПП. Свет, проникая в ПП, вступает с кристаллической решеткой во взаимодействие, связанное с обменом энергией.

Собственное поглощение света обусловлено переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. энергия квантов света идет на ионизацию атомов ПП. Собственное поглощение возможно в том случае, если энергия фотонов превышает ширину запрещенной зоны. В зависимости от ширины запрещенной зоны оно проявляется в видимой или ближней инфракрасной части спектра.

В некоторых ПП при поглощении фотонов образуются особые возбужденные состояния электронов валентной зоны, называемые экситонами. Экситон – система из взаимосвязанных собственными электростатическими полями электрона и оставленной им дырки. В таком случае поглощение называется экситонным.

Механизм поглощения света носителями заряда обусловлен переходами электронов и дырок с одного уровня на другой под влиянием квантов света внутри энергетических зон (валентной и проводимости). Под действием электрического поля световой волны носители заряда колеблются синхронно с полем, также ускоряясь за счет него . При столкновениях с узлами решетки они отдают кинетическую энергию, в результате энергия световой волны превращается в тепловую энергию решетки.

Примесное поглощение света обусловлено ионизацией или возбуждением примесных атомов в кристаллической решетке. При этом механизме энергия поглощаемых квантов света расходуется либо на переход электронов с донорных уровней в зону проводимости, либо на переход электронов из валентной зоны на акцепторные уровни.

Поглощение света решеткой происходит в результате взаимодействия электромагнитного поля с движущимися (колеблющимися) зарядами узлов кристаллической решетки. Решеточное поглощение связано с изменением колебательной энергии атомов.

Люминесценцией называют электромагнитное нетепловое излучение, происходящее после поглощения им энергии возбуждения и обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. По видам возбуждения различают фото-, хеми-, катодо-, соно-, радиолюминесценцию и другие.