Полупроводники

Рис. 6. Различные типы нелинейных зависимостей плотности  тока j = ennд от напряжённости электрического поля Е в полупроводниках; а — насыщающаяся; б — N-oбразная; в — S-oбразная. 

  Если в некоторой  области полей  дрейфовая скорость  убывает с ростом  поля Е, то равномерное распределение тока по образцу при полях, больших некоторого критического, оказывается неустойчивым и вместо него спонтанно возникают движущиеся в направлении тока области (домены), в которых поле во много раз больше, чем в остальной части образца, а концентрация носителей также сильно отличается от её среднего по образцу значения. Прохождение доменов сопровождается сильными периодическими осцилляциями тока. Полупроводники в таких условиях является генератором электрических колебаний, иногда весьма высокочастотных (~1011гц). Это явление, связанное с N-образной характеристикой Полупроводники (рис. 6, б), называется Ганна эффектом и наблюдается в GaAs n-типа и некоторых соединениях типа AIIIBV. Оно объясняется тем, что электроны, находившиеся в Г-минимуме зоны проводимости, где их эффективная масса мала, под действием поля набирают энергию, достаточно большую (~0,35 эв) для перехода в D-минимум, где эффективная масса значительно больше, в результате чего их дрейфовая скорость уменьшается. 

  В Полупроводники, обладающих пьезоэлектрическими  свойствами (AIIIBV, AIIBVI, Te), где упругие волны в кристаллической решётке сопровождаются возникновением электрического поля, увеличивающим их взаимодействие с носителями, аналогичные нелинейные эффекты возникают также из-за отклонения от равновесного распределения фононов. В этих веществах поток носителей становится интенсивным излучателем упругих волн, когда дрейфовая скорость носителей превышает скорость звука. Электрический потенциал упругой волны достаточно большой амплитуды захватывает носители, т. е. заставляет их собираться в областях минимума этого потенциала, так что они движутся вместе с волной. Если дрейфовая скорость сгустка носителей превышает скорость волны, то волна тормозит их своим полем, отбирая у них энергию, и поэтому усиливается сама. В результате, достигнув скорости звука, дрейфовая скорость перестаёт нарастать с ростом поля, а все дальнейшие затраты энергии внешнего поля идут на усиление упругих волн. В таком режиме пьезополупроводники используются для усиления и генерации ультразвука. 

Отклонения  от закона Ома, включая  и характеристики, показанные на рис. 6, могут быть вызваны  не только нелинейной зависимостью uд от Е, но и изменением концентрации носителей под действием электрического поля, например из-за изменения скорости захвата носителей какими-либо примесями в условиях разогрева полем. Самым распространённым механизмом изменения концентрации носителей в сильном поле является ударная ионизация, когда горячие носители, набравшие энергию большую, чем ширина запрещенной зоны Полупроводники, сталкиваясь с электронами валентной зоны, выбрасывают их в зону проводимости, создавая тем самым новые электронно-дырочные пары. 

  В достаточно сильном  поле рожденные  в результате ударной  ионизации неравновесные  носители могут  за время своей  жизни также создать  новые пары, и тогда  процесс нарастания  концентрации носителей  принимает лавинообразный  характер, т. е.  происходит пробой. В отличие от  пробоя диэлектриков, пробой Полупроводники  не сопровождается  разрушением кристалла,  т.к. пробивные  поля для Полупроводники с шириной запрещенной зоны DE ~ 1—1,5 эв относительно невелики (£ 105в/см, а в InSb £ 250 в/см). Специфичный для Полупроводники пробой, связанный с ударной ионизацией примесей, имеющих малую энергию ионизации, при низких температурах происходит в полях ~1—10 в/см. 

Электрическое поле может и непосредственно  переводить валентный  электрон в зону проводимости, т. е. рождать электронно-дырочные пары. Этот эффект имеет  квантовомеханическую природу и связан с «просачиванием» электрона под действием внешнего поля через запрещенную зону (см. Туннельный эффект). Он наблюдается обычно лишь в весьма сильных полях, тем больших, чем шире запрещенная зона. Такие поля, однако, реализуются во многих полупроводниковых приборах; в ряде случаев туннельный эффект определяет характеристики этих приборов (см. Туннельный диод). 

Экспериментальные методы исследования полупроводников (наиболее распространённые). Ширина запрещенной  зоны DE, так же как  и положение более высоких разрешенных зон, могут быть определены из спектров собственного поглощения или отражения света. Оптические методы особенно href ="../94/155.htm">эффективны в сочетании с воздействиями электрического поля, деформацией кристалла и др. (модуляционные методы). Минимальная ширина запрещенной зоны определяется также и по температурной зависимости собственной проводимости или по положению красной границы собственной фотопроводимости. Наиболее полные и точные сведения об эффективных массах дают исследования циклотронного резонанса и магнитооптических явлений (см. Магнитооптика). Для Полупроводники, в которых эти методы не удаётся использовать, например из-за малой подвижности носителей, оценить массу и плотности состояний можно по величине термоэдс. В некоторых случаях эффективны исследования гальваномагнитных явлений в сильных магнитных полях, особенно в вырожденных Полупроводники, где наблюдаются различные квантовые осцилляции типа Шубникова — Де Хааза эффекта. Основным методом измерения концентрации носителей и определения их знака в случае примесной проводимости является эффект Холла. Знак носителей может быть установлен и по направлению термоэдс. В сочетании с измерениями проводимости эффект Холла позволяет оценить и подвижность носителей. Положение примесных уровней в запрещенной зоне определяют по красной границе фотопроводимости или чаще по температурной зависимости примесной проводимости. Фотопроводимость, а также инжекция с контактов используются для определения времени жизни и длины диффузии неравновесных носителей. 

  Л. В. Келдыш. 

Историческая  справка. Хотя Полупроводники как особый класс  материалов были известны ещё к концу 19 в., только развитие квантовой  теории позволило  понять особенности  диэлектриков, Полупроводники и металлов (Уилсон, США, 1931). Задолго  до этого были обнаружены такие важные свойства Полупроводники, как  выпрямление тока на контакте металл — Полупроводники, фотопроводимость и  др. и построены  первые приборы на их основе. О. В. Лосев  доказал возможность  использования полупроводниковых  контактов для  усиления и генерации  колебаний — кристаллические  детекторы. Однако в  последующие годы кристаллические  детекторы были вытеснены  электронными лампами  и лишь в начале 50-х  гг. с открытием  транзисторного эффекта (Бардин, Браттейн, Шокли, США, 1948) началось широкое использование Полупроводники (главным образом Ge и Si) в радиоэлектронике (см. Полупроводниковая электроника). Одновременно началось интенсивное изучение физики Полупроводники, чему способствовали успехи, достигнутые в технологии очистки кристаллов и их легирования. Интерес к оптическим свойствам Полупроводники возрос в связи с открытием вынужденного излучения в GaAs (Д. Н. Наследов, А. А. Рогачёв, С. М. Рывкин, Б. В. Царенков, СССР, 1962), что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на р—n-переходе [Холл (США) и Б. М. Вул, А. Полупроводники Шотов и др. (СССР)], а затем на гетеропереходах (Ж. И. Алферов и др.). 

  Широкие исследования  Полупроводники в  СССР были начаты  ещё в конце  20-х гг. под руководством  А. Ф. Иоффе в  Физико-техническом  институте АН СССР. Многие из основных  теоретических понятий  физики Полупроводники  впервые сформулировали  Я. И. Френкель, И. Е. Тамм, Б.  И. Давыдов, Е.  Ф. Гросс, В.  А. Жузе, В. Е. Лашкарев, В. М. Тучкевич и др. Они же внесли значительный вклад в изучение Полупроводники и их техническое применение. 

  Лит.: Иоффе А. Ф., Физика полупроводников, М. — Л., 1957; Шокли В., Теория электронных полупроводников, пер. с англ., М., 1953; Смит Р., Полупроводники, пер. с англ., М., 1962; Полупроводники. Сб. ст., под ред. Н. Б. Хеннея, пер. с англ., М., 1962; Ансельм А. И., Введение в теорию полупроводников, М. — Л., 1962; Блатт Ф., Физика электронной проводимости в твердых телах, пер. с англ., М., 1971; Стильбанс Л. С., Физика полупроводников, М., 1967; Пикус Г. Е., Основы теории полупроводниковых приборов, М., 1965; Гутман Ф., Лайонс Л., Органические полупроводники, пер. с англ., М., 1970; Остин И., Илуэлл Д., Магнитные полупроводники, «Успехи физических наук», 1972, т. 106, в. 2; Алексеев А. А., Андреев А, А., Прохоренко В. Я., Электрические свойства жидких металлов и полупроводников, там же, т. 106, в. 3.