Гальваномагнитные явления в полупроводниках

     В современной технике пользуются рядом способов получения материалов высокой чистоты. Таковы йодидный метод, применяемый для очистки некоторых металлов, и метод зонной плавки; оба они описаны в разделе  производства титана. Кроме этих методов, для очистки полупроводниковых материалов применяют некоторые виды их переплавки.

     Простейшей  является открытая переплавка в тигле, устанавливаемом в электрической  печи. Во время переплавки  порошкообразного материала из него удаляются влага, газы и окислы (последние всплывают вверх). Некоторые окислы затвердевают на поверхности расплава, который можно слить, пробиванием отверстия в корке окислов.

     Более полной является очистка, производимая при переплавке в вакууме. Материал, подлежащий очистке, загружают в  кварцевую ампулу, которую помещают в электрическую печь. Открытый конец ампулы соединяют с вакуумной установкой  и откачивают выделяющиеся во время расплавления материала газы и летучие соединения. Откачка длится от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от времени плавки.

     Высокую степень чистоты полупроводниковых  материалов получают возгонкой или  сублимацией. Этот метод основан  на способности некоторых твёрдых  веществ переходить в парообразное состояние, минуя жидкую фазу, а затем  в обратном порядке переходить из парообразного в твёрдое состояние, образуя твёрдый продукт – сублимат. Такими свойствами обладают некоторые полупроводники. Возможность возгонки определяется упругостью паров примесей или чистого вещества при данной температуре. Полупроводниковые материалы обладают довольно высокой упругостью паров, что даёт возможность производить возгонку при относительно низких температурах и небольшом вакууме. Сублимат¹ осаждается на стенках вертикально установленного конденсатора, причём наиболее летучие примеси оседают в верхней зоне, наименее летучие – внизу, а труднолетучие остаются в остатке. В результате повторной возгонки получают более чистый продукт.

     Различные методы очистки полупроводников  дают возможность получать продукт  требуемой чистоты. Так, например, зонной плавкой загрязнённого германия удаётся снизить число атомов примеси в нём до одного на 10   атомов германия. 
 

           2. Гальваномагнитные  явления

          Гальваномагнитные явления, совокупность явлений, связанных  с действием магнитного поля на электрические (гальванические) свойства твёрдых проводников (металлов и полупроводников), по которым течёт ток. Наиболее существенны Гальваномагнитные явления в магнитном поле Н, перпендикулярном току (поперечные Гальваномагнитные явления). К ним относится эффект Холла — возникновение разности потенциалов (эдс Холла Vh) в направлении, перпендикулярном полю Н и току j (j — плотность тока), и изменение электрического сопротивления проводника в поперечном магнитном поле. Разность Dr между сопротивлением r проводника в магнитном поле и без поля часто называется магнетосопротивлением. Постоянная Холла в широких пределах не зависит от величины магнитного поля (а для металлов и от температуры). Линейная зависимость от магнитного поля Н используется для измерения магнитных полей.

          В электронных  проводниках, в которых ток переносится  «свободными» электронами, согласно простейшим представлениям, постоянная Холла выражается через число электронов проводимости n в см³. R = 1/nec (е — заряд электрона, с — скорость света). Поэтому измерение R служит одним из основных методов оценки концентрации электронов проводимости n в электронных проводниках. У электронных проводников R имеет знак минус. У полупроводников с дырочной проводимостью и у некоторых металлов постоянная Холла имеет знак плюс, соответствующий положительно заряженным носителям тока — дыркам. Т. к. эдс Холла меняет знак при изменении направления магнитного поля на обратное, то эффект Холла называется нечётным Гальваномагнитные явления.

          Относительное изменение сопротивления в поперечном поле (Dr/r)^, в обычных условиях (при комнатной температуре) очень мало: у хороших металлов (Dr/r)^ ~ 10^-4 при H ~ 10⁴ э. Важным исключением является висмут (Bi), у которого (Dr/r)^ » 2 при Н = 3 · 10⁴э. Это позволяет его использовать для измерения магнитного поля. У полупроводников изменение сопротивления несколько больше, чем у металлов: (Dr/r)^ » 10^-2—10^-1 и существенно зависит от концентрации примесей в полупроводнике и от температуры. Например, у достаточно чистого германия (Dr/r)^ » 3 при Т = 90 К и H = 1,8 · 10^-4э.

          Понижение температуры  и увеличение магнитного поля приводят к увеличению (Dr/r)^. П. Л. Капица (1929), используя магнитные поля в несколько сот тысяч э и сравнительно низкие температуры, обнаружил существенное увеличение сопротивления большого числа металлов и показал, что в широком интервале магнитных полей (Dr/r)^ линейно зависит от магнитного поля (закон Капицы).

          В слабых магнитных  полях (Dr/r)^ пропорционально H². Коэффициент пропорциональности между (Dr/r)^ и H² положителен, т. е. сопротивление растет с увеличением магнитного поля. Изменение сопротивления в магнитном поле называется чётным Гальваномагнитные явления, т. к. (Dr/r)^ не изменяет знак при изменении направления поля Н на обратное.

          Так как сопротивление весьма чувствительно к качеству образца (к количеству примесей и дефектов кристаллической решётки), а также к температуре, то каждое измерение приводит к новой зависимости r от Н. Имеющиеся экспериментальные данные для металлов удобно описывать, выразив (Dr/r)^ в виде функции от Нэф = Hr300/r, где r300 — сопротивление данного металла при комнатной температуре (Т = 300К), а r — при температуре эксперимента. При этом различные данные, относящиеся к одному металлу, укладываются на одну кривую (правило Колера).

          Основная причина  Гальваномагнитные явления —искривление траекторий носителей тока (электронов проводимости и дырок) в магнитном  поле. Траектория носителей в магнитном  поле может существенно отличаться от траектории свободного электрона  в магнитном поле — круговой спирали, навитой на магнитную силовую линию. Разнообразие траекторий носителей тока у различных проводников — причина разнообразия Гальваномагнитные явления, а зависимость траектории от направления магнитного поля — причина анизотропии Гальваномагнитные явления в монокристаллах. Мерой влияния магнитного поля на траекторию электрона является отношение длины свободы пробега l электрона к радиусу кривизны его траектории в поле Н: rн = cp/eH (р — импульс электрона). По отношению к Гальваномагнитные явления магнитное поле считают слабым, если Н £ Но = el/cp, и сильным, если Н ³ Н0.

          При комнатных  температурах для различных металлов и хорошо проводящих полупроводников H0 ~ 10⁵—10⁷э, для плохо проводящих полупроводников Н0~10⁸—10⁹э. Понижение температуры увеличивает длину пробега l и потому уменьшает значение H0. Это позволяет, используя низкие температуры и обычные магнитные поля (~10⁴э), осуществлять условия, соответствующие сильному полю Н >> Н0.

          Измерение сопротивления  монокристаллических образцов металлов в сильных магнитных полях  — один из важных методов изучения металлов. Исследуется зависимость  сопротивления от величины магнитного поля и его направления относительно кристаллографических осей. Теория Гальваномагнитные явления показала, что зависимость сопротивления от поля Н существенно связана с энергетическим спектром электронов. Резкая анизотропия сопротивления в сильных магнитных полях (у Au, Ag, Cu, Sn и др.) означает существ, анизотропию Ферми поверхности. И, наоборот, небольшая анизотропия сопротивления в магнитном поле означает практическую изотропию поверхности Ферми. При этом, если с ростом магнитного поля для всех направлений r не стремится к насыщению (Bi, As и др.), то электроны и дырки содержатся в проводниках в равных количествах. Стремление сопротивления к насыщению означает, что преобладают либо электроны, либо дырки (тип носителей может быть установлен по знаку постоянной Холла).

          Наряду с поперечными Гальваномагнитные явления наблюдается также небольшое изменение сопротивления металлов в магнитном поле, параллельном току I: (Dr/r)||, наз. продольным гальваномагнитным эффектом. В сильных магнитных полях обнаруживаются квантовые эффекты, проявляющиеся в немонотонной (осциллирующей) зависимости постоянной Холла и сопротивления от поля Н.

          При изучении Гальваномагнитные  явления в тонких плёнках и  проволоках имеет место зависимость (Dr/r)^ и (Dr/r)|| от размеров и формы образца (размерные эффекты). С ростом Н при rn £ d (d — наименьший размер образца) эта зависимость исчезает. В ферромагнитных металлах и полупроводниках (ферритах) Гальваномагнитные явления обладают рядом специфических особенностей, обусловленных существованием самопроизвольной намагниченности в отсутствие магнитного поля. Например, эдс Холла в ферромагнетиках зависит не только от среднего поля Н в образце, но и от намагниченности, сопротивление в слабых полях иногда убывает.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

     Полупроводники – это сравнительно новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач.

     Полупроводниковые приборы можно встретить в  обычном радиоприемнике и в квантовом  генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.

       Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.   

     В настоящее время насчитывается  свыше двадцати различных областей, в которых с помощью полупроводников  разрешаются важнейшие вопросы  эксплуатации машин и механизмов, контроля производственных процессов, получения электрической энергии, усиления высокочастотных колебаний и генерирования радиоволн, создания с помощью электрического тока тепла или холода, и для осуществления многих других процессов.

    СПИСОК  Литературы

1. Д.А.Браун.-Новые материалы в технике. -Издательство *Высшая школа*,       М.- 1965,194с.

2. А.с.  281651 СССР МПК Н 01 5/00. Полупроводниковый генератор/

           Б.С.Муравский.  В.И.Кузнецов.  Заявл.   03.12.68.,   Опублик.

           21.03.73. Бюл.N7.

3. Кнаб  О.Д.  БИСПИН  -  новый тип полупроводниковых приборов//

     Электронная промышленность. 1989. N8

4. Шалимова К.В. "Физика полупроводников" Изд. "Энергия" 1976

5. Степаненко  И.П.  Основы  теории транзисторов и транзисторных

      схем./Москва, Энергия, 1973.

6. Муравский Б.С. Черный В.Н. Яманов И.Л. Потапов А.Н. Жужа М.А.

     Неравновесные электронные процессы в транзисторных структурах

     с туннельно-прозрачным окислом //Микроэлектроника. 1989. т.1

7. Муравский Б.С. Кузнецов В.И. Фризен Г.И. Черный В.Н. Исследо-

      вание  кинетики поверхностно-барьерной неустойчивости тока.//

           Физика   и   техника   полупроводников.   1972.   т.6.   N11

8. Стриха В.И.  Теоретические основы контакта  металл-полупрово-

      дник.// Киев. "Наукова думка", 1974.

9. А.с.  1438537 СССР, МКИ Н01L 29/42 Поверхностно-барьерный ге-

     нератор/  Б.С.Муравский,  А.Н.Потапов,   И.Л.Яманов.   Заявл.

          30.12.86.

10. Бессарабов Б.Ф.,  Федюк В.Д.,  Федюк Д.В.,  Диоды, тиристоры,

     транзисторы и микросхемы широкого применения.   Справочник. /

     Воронеж. ИПФ "Воронеж" 1994.