Основные эффекты в полупроводниках и их применение

С точки зрения применения в электротехнике к важнейшим относятся эффекты вылрямления, усиления (транзисторный эффект). Холла, Ганна, фотоэлектрический, термоэлектрический.

Электронно-дырочный р-n переход. Выпрямительными свойствами обладает лишь р-n переход и контакт полупроводника с другими материалами. Р-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. На рис. 2.8 показан нерезкий p-n переход для разомкнутой цепи.

В цепи с переменным электрическим полем р-n переход работает как выпрямитель. На рис. 2.9 показана вольт-амперная характеристика р-n перехода, которая описывается выражением

рис 2.8.

где Is— ток насыщения (при I=Is(e^qU/kT-l), обратном включении р-n перехода этот ток равен обратному току); U—приложенное напряжение.

рис. 2.9.

Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС Холла на гранях полупроводникового бруска с током, помещенного в магнитное поле. Величина ЭДС Холла определяется векторным произведением тока I и магнитной индукции В. На рис. 2.10 изображен случай дырочного полупроводника. Знак ЭДС Холла легко определить по правилу левой руки. Отогнув в сторону большой палец, найдем направление смещения основных носителей для данного типа полупроводника. Рассчитывается ЭДС Холла так

Ux=RxJB/b (2.14)

где Rx—постоянная Холла R=-A/nq—для п-полупроводника, Rx=B/(pq) -для р-полупроводника, п и р-концентрации электронов и дырок); A и В – коэффициенты, значения которых от 0.5 до 2.0 для различных образцов. В сильных полях или для вырожденных полупроводников А=В=1.0. Для монокристаллических образцов с совершенной структурой А=В·Зπ/8. Наиболее часто датчики Холла изготовляют на основе селенида и теллурида ртути (HgSe, HgTe), антимонида индия (InSb) и других полупроводниковых материалов в виде тонких пленок или пластинок. С их помощью возможно измерение магнитной индукции или напряженности магнитного поля, силы тока и мощности, а при подведении к контактам переменных напряжений — и преобразование сигналов. По ЭДС Холла можно определить знак носителей заряда, рассчитать их концентрацию и подвижность.

ЭффектГанна — относится к эффектам сильного поля и заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник электрического поля высокой напряженности. Впервые этот эффект наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InР. На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие сигналы в диапазоне частот до сотен гигагерц. Фотоэлектрический эффект. При облучении полупроводников светом в них можно возбудить проводимость. Фотоны с энергией hv= или > ширины запрещенной зоны ΔWo переводят электроны из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся при этом пара электрон—дырка является свободной и участвует в создании проводимости. На рис. 2.11 показана схема образования фотоносителей в собственном, донорном и акцепторном полупроводниках.

Таким образом, если hv≥DWo —для собственных полупроводников, hv≥DWn —для примесных полупроводников, то появляются добавочные носители тока и проводимость повышается. Это добавочная проводимость называетсяфотопроводимостью. Основная проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей тока называетсятемновой проводимостью. Из приведенных формул можно определить минимальную частоту или максимальную длину волны при которой свет возбуждает фотопроводимость

l₀=ch/DWo и l₀=ch/DWn.

Наиболее чувствительные фотосопротивления изготовляются из сернистого кадмия (CdS) и сернистого свинца (PbS). Используются и другие полупроводниковые материалы.