Применение полупроводников

Если у полупроводника один конец нагрет сильнее чем другой, то у горячего конца свободные носители заряда будут иметь более высокие скорости и энергии, чем у холодного, концентрация их будет тоже больше. Поэтому поток свободных носителей от горячего конца к холодному будет больше, чем от холодного к горячему. Если концентрация свободных электронов и дырок в полупроводнике или их подвижности не одинаковы, то концы полупроводников окажутся противоположно заряженными. В электронном проводнике на холодном конце будет накапливаться отрицательный заряд, а на горячем нескомпенсированный положительный. Возникшее электрическое поле будет вызывать поток электронов от холодного конца к горячему. Стационарное состояние возникнет при равенстве этих электронов. У дырочного полупроводника на холодном конце возникает соответственно положительный заряд. Таким образом, по знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводности полупроводника.

Эффект, обратный явлению Зеебека, называют эффектом Пельтье. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников ил полупроводника и металла происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.

Количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в контакте пропорционально значению протекаемого тока I.

Q_п = П / t ,

Где Q_п- теплота Пельтье;

t – время прохождения тока;

П – коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих материалов, температуры и направления тока.

Эффект Томпсона заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении тока в однородном материале, в котором существует градиент температур. Наличие градиента температур в полупроводнике приводит к образованию термоЭДС. Если направление внешнего электрического поля будет совпадать с электрическим полем, обусловленным термоЭДС, то не вся энергия, поддерживающая ток, обеспечивается внешним источником, часть работы совершается за счет тепловой энергии самого полупроводника, в результате чего он охлаждается.

При смене направления внешнего электрического поля оно будет совершать дополнительную работу, что приведет к выделению теплоты дополнительно к теплоте Джоуля.

Теплота Томпсона Q_т равна

Q_т= t (Т₂-Т₁) t I,

Где t - коэффициент Томпсона.

 

3.3.4 Эффект Ганна

 

Эффект Ганна - 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 InP. На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие в диапазоне частот до сотен гигагерц.

 

3.3.5 Термомагнитные эффекты в полупроводниках. (Эффекты Эттингсгаузена, Нернста —Эттингсгаузена, Риги — Ледюка)

 

Эффект Эттингсгаузена — эффект возникновения градиента температур в находящемся в магнитном поле проводнике, через который течет ток. Если ток течет вдоль оси x, а магнитное поле направлено вдоль y, то градиент температур будет возникать вдоль z.

Краткое объяснение эффекта заключается в следующем. В среднем действие силы Лоренца и поля Холла компенсируют друг друга, однако, вследствие разброса скоростей носителей заряда, отклонение «более горячих» и «более холодных» происходит по-разному — они отклоняются к противоположным граням проводника.

Электроны, сталкиваясь с решёткой, приходят с ней в термодинамическое равновесие. Если они при этом отдают энергию, то проводник нагревается; если они отбирают энергию у решетки, то проводник охлаждается, в результате чего возникает градиент температуры в направлении, перпендикулярном полю B и току j.

 

 

Возникновение поперечной разности температур между гранями пластины, которая помещена в магнитное поле и через которую протекает электрический ток называется эффектом Эттингсгаузена.

Быстрые электроны отдают избыточную энергию кристаллической решетке, и соответствующая грань образца нагревается; медленные электроны на противоположной грани образца будут пополнять свою энергию за счет охлаждения решетки и эта грань будет охлаждаться. Таким образом, возникает поперечная разность температур.

 

Эффект Риги — Ледюка — термомагнитный эффект, состоящий в том, что при помещении проводника с градиентом температур в постоянное магнитное поле, перпендикулярное тепловому потоку, возникает вторичная разность температур, перпендикулярная магнитному полю и тепловому потоку.

Этот эффект, как и другие термомагнитные явления, обусловлен тем, что траектории носителей заряда в магнитном поле искривляются под действием силы Лоренца. Диффундирующие носители заряда переносят с собой теплоту (теплопроводность). В отсутствии магнитного поля поток теплоты направлен от горячего конца образца к холодному. При включении магнитного поля поток диффузии отклоняется силой Лоренца на некоторый угол, и возникает поперечный градиент температуры.

Количественной характеристикой эффекта служит постоянная Риги — Ледюка S, характеризующая свойства данного вещества. При этом:

 

Эффект Нернста — Эттингсгаузена, или поперечный эффект Нернста — Эттингсгаузена — термомагнитный эффект наблюдаемый при помещении полупроводника, в котором имеется градиент температуры, в магнитное поле.

 

Суть эффекта состоит в том, что в полупроводнике появляется электрическое поле, перпендикулярное к вектору градиента температур и вектору магнитной индукции, то есть в направлении вектора . Если градиент температуры направлен вдоль оси X, а магнитная индукция — вдоль Z, то электрическое поле параллельно вдоль оси Y. Поэтому между точками a и b (см. рис.) возникает разность электрических потенциалов u. Величину напряжённости электрического поля Ey можно выразить формулой:

 

3.3.6 Электронно-дырочный переход в полупроводниках и его свойства.

Электронно-дырочный переход (р-n – переход).

 

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность р-типа, а другая n –типа, называют электронно-дырочным переходом или р-n – переходом.

Создать р-n – переход механическим соединением двух полупроводников с различным типом электропроводности невозможно. Его создают путем введения в полупроводник донорной и акцепторной примесей таким образом. Чтобы одна часть полупроводника обладала электронной, а другая – дырочной проводимостью.

Так как в n – полупроводнике много электронов, а в р - полупроводнике дырок, между полупроводниками начнется интенсивный обмен носителями заряда. За счет разности концентраций электроны и полупроводника n –типа диффундируют в полупроводник р-типа, оставляя в приконтактной области полупроводника n –типа нескомпенсированный положительный заряд ионов донорной примеси. Дырки, в свою очередь, диффундируют в полупроводник n-типа, в результате чего в приконтактном слое полупроводника р-типа возникает отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Таким образом, область раздела полупроводников n- и р- типа окажется обедненной свободными носителями заряда и , несмотря на малую ширину d≈10^-6-10^{-8 м, будет обладать большим сопротивлением, во много раз превышающим сопротивление остальной части полупроводников. Наличие отрицательного и положительного объемного зарядов приводит к образованию электрического поля, которое препятствует дальнейшему диффузионному потоку носителей заряда. В равновесное состояние система приходит при условии равенства потоков свободных носителей заряда, вызванных градиентом их концентраций и диэлектрическим полем объемного заряда.}

При приложении к такому полупроводнику внешнего поля основные носители заряда в полупроводниках получают возможность проникать через обедненный слой в области, где они оказываются неосновными носителями и рекомбинируют. Такое направленное движение носителей заряда является электрическим током, и можно сказать что р-n переход открыт. Это картина обуславливается следующей полярностью – к р- области +, а к n – области – минус.

 

В случае обратной полярности внешнего поля –основные носители движутся от р-n – перехода и переход заперт. Через него может протекать только очень маленький ток неосновных носителей – обратный ток.

 

 

Электронно-дыцрочный p-n переход. Выпрямительными свойствами обладает лишь p-n переход и контакт полупроводника с другими металлами. p-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. На рисунке показан нерезкий p-n переход для разомкнутой цепи. В цепи с переменным электрическим полем p-n переход работает как выпрямитель. На рисунке показана вольт-амперная характеристика p-n перехода, которая описывается выражением

J=J_s ^. (e^qU/kT-1) ,

где J_s - ток насыщения (при обратном включении p-n перехода этот ток равен обратному току); U - приложенное напряжение; q/kT=40 В^-1 при комнатной температуре.

3.4.1 Области применения полупроводников

 

 

3.4.2 Полупроводниковые приборы

 

Полупроводниковые приборы — широкий класс электронных приборов, изготавливаемых из полупроводников.

 

К полупроводниковым приборам относятся:

ü Интегральные схемы (микросхемы)

ü Полупроводниковые диоды (в том числе варикапы, стабилитроны, диоды Шоттки)

ü Тиристоры, фототиристоры

ü Транзисторы

ü Приборы с зарядовой связью

ü Полупроводниковые СВЧ-приборы (диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды)

ü Оптоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, солнечные элементы, детекторы ядерных излучений, светодиоды, полупроводниковые лазеры, электролюминесцентные излучатели)

ü Терморезисторы, датчики Холла

 

3.4.3 Устройства на полупроводниковых приборах для энергетики, электромеханики и электротехнологий