Физические процессы в полупроводниках и их практическое применение.

Полупроводники

Термоэлектрические явления в полупроводниках. Эффекты Зеебека, Томпсона, Пельтье.

Электромагнитные явления в полупроводниках. Эффект Холла.

Вентильные свойства полупроводников. Пробой р-n перехода.

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

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.

Эффектом Холла называется возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в проводнике или полупроводнике, по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока.

Если в магнитное поле с индукцией B поместить проводник или электронный полупроводник, по которому течет электрический ток плотности j, то на электроны, движущиеся со скоростью v в магнитном поле, действует сила Лоренца F, отклоняющая их в определенную сторону. На противоположной стороне скапливаются положительные заряды.

В дырочном полупроводнике знаки зарядов на поверхностях меняются на противоположные.

Поперечное электрическое поле препятствует отклонению движущихся заряженных частиц магнитным полем. Образующаяся разность потенциалов:

Dj = R (BI /d),

где I - сила тока; d - линейный размер образца в направлении вектора B; R - постоянная Холла.

Напряженность поперечного электрического поля определяется соотношением Е_п = R (B · j).

Наиболее часто датчики Холла изготовляют на основе селенида и теллурида ртути (HgTe,HgSe), антимонида индия (InSb) и других полупроводниковых материалов в виде тонких пленок или пластинок. С их помощью возможно измерение магнитной индукции или напряженнности магнитного поля, силы тока и мощности, а при подведении к контактам переменных напряжений - и преобразование сигналов. По измерению ЭДС Холла можно определить знак носителей заряда, рассчитать их концентрацию и подвижность.

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.

К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводниках относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томпсона.

Эффект Зеебека.Сущность явления 3еебека состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников или полупроводника и металла, возникает ЭДС, если между концами этих материалов существует разность температур. Один конец спая нагрет до температуры T₁, а другой - до Т₂, пусть Т₂ > T₁. При этом в цепи обнаруживается электродвижущая сила – термоЭДС

где a - коэффициент термоЭДС, который определяется материалами двух ветвей.

Рассмотрим процесс образования термоЭДС на примере однородного полупроводника, у которого один из концов нагрет больше, чем второй. Свободные носители заряда у горячего конца имеют более высокие энергии и скорости, чем у холодного. У горячего конца полупроводника свободных носителей больше, чем у холодного. Поэтому поток свободных носителей от горячего конца к холодному больше, чем от холодного к горячему. Если концентрация свободных электронов и дырок в полупроводнике или их подвижности не одинаковы, то концы полупроводников противоположно заряжены.

В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны, поток их от горячего конца к холодному больше, чем от холодного к горячему. В результате этого на холодном конце накапливается

отрицательный заряд, на горячем остается нескомпенсированный положительный. Возникшее электрическое поле вызывает поток электронов от холодного конца к горячему.

Стационарное состояние устанавливается при равенстве этих потоков электронов. У дырочного полупроводника на холодном конце возникает положительный заряд. Таким образом, по знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводности полупроводника.

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

Количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в контакте, пропорционально значению протекающего тока I:

где Q_П - теплота Пельтье; t - время прохождения тока; П - коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих материалов, температуры и направления тока.

Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры.

Термоэлектрические устройства отличаются простотой управления, возможностью тонкого регулирования температуры, бесшумностью, высокой надежностью работы. Основной недостаток термоэлектрических устройств- малая величина эффективности, что не позволяет их использовать для промышленного получения «холода».

Эффект Томпсона.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 совпадает 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. Применяются в бытовых и транспортных холодильниках, термостатах, для охлаждения и термостатирования термочувствительных элементов.

При смене направления внешнего электрического поля оно совершает дополнительную работу, что приводит к выделению теплоты дополнительно к теплоте Джоуля.

Теплота Томпсона

где t - коэффициент Томпсона.