По электропроводности вещества можно разделить на четыре группы: диэлектрики, проводники, сверхпроводники и полупроводники.
Диэлектрики – это вещества, которые существенно препятствуют протеканию через них электрического тока ввиду высокого удельного сопротивления, часто превышающего 108 Ом • м. Диэлектрики, которые применяют в качестве изоляции, например, проводов, обычно обладают на много порядков более высоким сопротивлением.
Проводники – это материалы, которые почти не препятствуют протеканию по ним электрического тока благодаря низкому удельному сопротивлению, обычно не превышающему 10–5 Ом • м. Металлические проводники используют в кабелях и проводах в качестве токоведущих шин.
Сверхпроводники – это материалы, которые при охлаждении до некоторой критической температуры резко уменьшают удельное сопротивление до нуля. В результате отсутствуют потери энергии на омическом сопротивлении, что позволяет создавать мощные высокоэффективные кабели, трансформаторы мощностью в мегаватты с высоким КПД и т.п. К сверхпроводникам относят соединения NbN, NbTi, Nb3Sn и другие. У большинства сверхпроводников критическая температура лежит вблизи абсолютного нуля, что снижает практическую пригодность этих материалов.
Полупроводники – это вещества, удельное сопротивление которых зависит от внешних условий, например, флюктуаций температуры, изменений интенсивности облучения световым потоком и прочего. В результате, в определённых условиях полупроводники могут менять своё удельное сопротивление, и оно может стать со всеми промежуточными градациями либо таким, как у проводников, либо как у диэлектриков. При температуре вблизи абсолютного нуля полупроводники обладают диэлектрическими свойствами, а при нагреве выше определённой критической температуры они проявляют свойства проводников. Зависимость их сопротивления от температуры нелинейна.
Собственным полупроводником называют полностью лишённый примесей полупроводник с идеальной кристаллической решёткой без дефектов. Его также называют полупроводником i-типа (от слова intrinsic, что в переводе с английского означает «собственный»). Собственный полупроводник при температуре –273,15 °C является диэлектриком, т.е. при температуре абсолютного нуля в собственном полупроводнике отсутствуют свободные носители заряда. При температуре выше абсолютного нуля возникают колебания атомов в узлах кристаллической решётки. При получении большей энергии, нежели ширина запрещённой зоны, они разрывают ковалентные связи, образуя фононы, в результате чего возникают расположенные в непосредственной близости друг от друга пары носителей зарядов: дырок и электронов, которые стали свободными. Дырка – это незаполненная электроном ковалентная связь, которая, аналогично частице, обладает положительным зарядом, равным по модулю отрицательному заряду электрона. Образование электронно-дырочных пар называют генерацией носителей зарядов, обратный процесс – рекомбинацией зарядов. Генерацию пар носителей заряда, вызванную теплом, называют термогенерацией. Кроме того, появление электронно-дырочных пар происходит при облучении материала световым потоком, а также при помещении его в электрическое поле и пр. Последнее может быть как недостатком, так и достоинством. Если в полупроводнике, который поместили в электрическое поле, возникает движение носителей заряда, то его именуют дрейфом, а протекающий ток – дрейфовым током. Под действием электрического тока происходит миграция дырок: место дырки заполняет ближайший электрон, на месте которого возникает дырка, затем очередной электрон, расположенный рядом с дыркой, занимает её место и так далее. Собственной проводимостью называют проводимость полупроводника i-типа, возникшую в результате термогенерации носителей заряда. Если электрический ток был обусловлен неравномерным распределением носителей заряда, то такой ток называют диффузионным. Длительность времени от генерации до момента рекомбинации носителя заряда называют временем жизни, а пройденное им за это время расстояние называют диффузионной длиной.
Примесной называют проводимость полупроводника, в который были введены легирующие добавки. Полупроводник с примесями не может быть i-типа. Легирование – это процесс дозированного внесения примесей в полупроводник для придания ему новых свойств, которых не было в исходном материале, например, для изменения типа проводимости. Или таких новых свойств, например, как появление низкой зависимости к облучению светом, нечувствительностью полупроводника к полям (или, наоборот, высокой чувствительности) и прочему. Если при введении примеси в полупроводнике доминировать начнёт дырочная проводимость, то есть дырки собственного полупроводника будут «сложены» с дырками примеси, то такой полупроводник называют дырочного, или p-типа. А если превалировать станет электронная проводимость, то полупроводник называют электронного, или n-типа. В полупроводнике дырочного типа основными носителями заряда являются дырки, а в полупроводнике электронного типа – электроны. В полупроводнике электронного типа дырки будут неосновными носителями заряда, а электроны – основными. В полупроводнике дырочного типа электроны будут неосновными носителями заряда, а дырки – основными. Если при введении примеси концентрация электронов превысит концентрацию дырок, то её называют донорной примесью. А если с введением примеси концентрация дырок станет больше концентрации электронов, то такую примесь называют акцепторной. В полупроводники, которые легируют при производстве электронных компонентов, обычно вводят в неодинаковых концентрациях и акцепторную, и донорную примеси.
Если концентрация примесей в полупроводнике будет очень велика и станет достигать ориентировочно 1021 … 1024 атомов на 1 см3, то такой полупроводник, близкий по свойствам к металлу, называют вырожденным. В отношении классификации безразлично, какая примесь – донорная или акцепторная – привела к образованию вырожденного полупроводника. Вырожденные полупроводники практически не реагируют на флюктуации температуры.
Энергетические зоны – это диапазоны энергий, к которым можно отнести энергии электронов. Зоной валентности называют такой диапазон энергий, внутри которого находится энергия электрона, который удерживается кристаллической решёткой. Чтобы электрон покинул атом кристаллической решётки, ему необходимо сообщить большую энергию, чем ширина запрещённой зоны. Зоной проводимости именуют диапазон энергий, в котором находится энергия электрона, который больше не связан с определённым атомом кристаллической решётки. Уровень Ферми – это такой энергетический уровень, на котором с вероятностью 1/2 находится электрон, и который постоянен при флюктуациях температуры. Зонная энергетическая диаграмма – это рисунок, на котором показаны энергетические зоны. Зонные энергетические диаграммы, которые характерны диэлектрикам, полупроводникам и проводникам, изображены на рис. 2.1.
На данной зонной диаграмме изображение над буквой (а) соответствует диэлектрикам, над буквой (б) – полупроводникам, а над буквой (в) – проводникам. По вертикальной оси отложена энергия электронов, а горизонтальная ось безразмерна. Между зонами проводимости и валентности диэлектриков большой незаполненный промежуток, и упорядоченное движение носителей заряда отсутствует. Между энергетическими зонами проводимости и валентности полупроводников расстояние не велико, и в зоне валентности допустимо появление дырок, а в зоне проводимости такого же числа электронов, что может обеспечить условия протекания тока. Между зонами проводимости и валентности расположена запрещённая зона. Энергетические зоны валентности и проводимости металлов взаимно перекрываются. В результате передача даже незначительной энергии способна привести к протеканию тока.
Электронно-дырочным (или p-n) переходом называют область на границе двух полупроводников, обладающих различными типами проводимости. Толщина электронно-дырочного перехода обычно достигает от 100 нм до 1 мкм. На границе полупроводников электронного и дырочного типа концентрации носителей заряда неодинаковы, в результате чего в электронно-дырочном переходе возникает электрическое поле. Электроны переходят из области электронного типа в дырочную область, а дырки, наоборот, из дырочной области мигрируют в область электронного типа, то есть начинает протекать диффузионный ток. Когда концентрация основных носителей заряда больше, чем неосновных, то наибольшим будет ток, образованный упорядоченным движением основных носителей. Нейтрализация носителей зарядов в областях противоположного типа носит название рекомбинации носителей заряда. Рекомбинация электронов в дырочной области приводит к появлению в ней большого количества неподвижных отрицательных ионов, а возникшее электрическое поле будет ускоряющим для неосновных носителей заряда, и тормозящим и отталкивающим назад основных носителей заряда, которые будут вынуждены возвратиться обратно в область электронного типа. Аналогичным образом, рекомбинация дырок в электронной области приводит к образованию в ней большого количества неподвижных положительных ионов. Поэтому выравнивания концентраций носителей зарядов не возникнет. Участок границы полупроводников между местом, где будет максимальная концентрация отрицательных ионов акцепторной примеси и местом, где будет максимальная концентрация положительных ионов донорной примеси и есть электронно-дырочный переход. Электронно-дырочные переходы, обладающие примерно одинаковой концентрацией носителей зарядов в областях дырочного и электронного типов называют симметричными. Практическое применение симметричных p-n переходов довольно узко, а более широко применяют несимметричные электронно-дырочные переходы. В них концентрации носителей зарядов обладают отличием как минимум на несколько порядков.
Электронно-дырочный переход не получают простым соприкосновением двух разнотипных полупроводниковых брусков, так как в месте их соприкосновения не исключено наличие жировых пятен, пыли, чрезвычайно трудноудаляемой воздушной прослойки и прочего. А вместо этого электронно-дырочные переходы создают по специальным технологиям: диффузии, сплавления, эпитаксии, ионного легирования и ионной имплантации и многим другим.
Суть диффузии состоит в проникновении атомов паров примесей ввиду теплового движения на поверхность и внутрь кристаллов полупроводников, нагретых примерно до 950 °C … 1200 °C, причём концентрация примесей наиболее высока на поверхности, а наиболее низка в глубине кристаллов.
Сплавление заключено в наложении таблетки легирующего вещества на кристалл полупроводника и разогревании их до такой температуры, при которой наступит взаимное сплавление легирующего материала и полупроводника. Образованный таким образом электронно-дырочный переход называют резким, т.е. таким, при котором участок перехода концентраций примесей соизмерим с диффузионной длиной.
Эпитаксия – это выращивание плёнки одного полупроводника на кристалле другого полупроводника. Кристалл полупроводника, на который осуществляют наращивание, называют подложкой. Подложку выполняют из полупроводника с кристаллической решёткой, похожей на кристаллическую решётку наращиваемого полупроводника. Если выращиваемый полупроводник и полупроводник подложки – это химически одно и то же вещество, то процесс называют гомоэпитаксией, а если они различны – то гетероэпитаксией.
Процесс ионного легирования заключён во внедрении в кристалл полупроводника ионов примеси, которые были в вакууме разогнаны до определённой скорости и направлены на поверхность полупроводника.
Помимо рассмотренного электронно-дырочного перехода также выполняют электронно-электронные, дырочно-дырочные переходы, переходы металл-полупроводник и другие.
Подсоединим электронно-дырочный переход к внешнему источнику питания так, чтобы отрицательное напряжение последнего было приложено к области электронного типа, а положительное – к области дырочного типа проводимости. Внешнее поле позволяет преодолеть заряд примесей, которые отталкивают носителей заряда от перехода. Основные носители заряда подступают гораздо ближе к границе полупроводников, и становится меньше ширина электронно-дырочного перехода и высота потенциального барьера. Если увеличим напряжение, прикладываемое к электронно-дырочному переходу, возрастёт концентрация основных носителей зарядов и в области дырочного типа, и в области электронного, в результате чего значительно возрастёт протекающий через переход диффузионный ток, который существенно превысит дрейфовый ток. Основные носители заряда преодолевают электронно-дырочный переход и попадают из области электронного типа в область дырочного типа проводимости, в которой они являются неосновными. Этот процесс называют инжекцией. Ставшие неосновными носители заряда рекомбинируют с основными носителями заряда этой области. Совершенно аналогично дырки из области дырочного типа преодолевают электронно-дырочный переход, инжектируются в область электронного типа проводимости и там рекомбинируют. Указанное включение электронно-дырочного перехода и ток, вызванный движением основных носителей заряда, называют прямым.
Теперь подключим электронно-дырочный переход к внешнему источнику питания так, чтобы положительное напряжение было приложено к области электронного типа, а отрицательное – к области дырочного типа. Внешнее поле ещё сильнее отталкивает носителей заряда от перехода, и возрастают и ширина электронно-дырочного перехода, и высота потенциального барьера. Прямой ток через электронно-дырочный переход не течёт. Электроны из области дырочного типа и дырки из области электронного типа будут под действием электрического поля направлены сквозь p-n переход в области тех типов проводимости, в которых они станут основными. Этот процесс носит название экстракции. Через электронно-дырочный переход протекает маленький дрейфовый ток, называемый обратным, вызванный движением неосновных носителей заряда. Обратный ток почти не зависит от приложенного к электронно-дырочному переходу напряжения до определённого предела, после которого он начнёт возрастать из-за генерации носителей заряда в области границы разнотипных полупроводников. При увеличении температуры и обратный ток, и прямой ток возрастают, причём обратный ток увеличивается гораздо быстрее прямого тока. При уменьшении температуры существенного снижения токов не происходит.
Сделаем важное заключение: рассмотренный идеальный электронно-дырочный переход в прямом включении пропускает электрический ток, а в обратном включении не пропускает, т.е. обладает односторонней проводимостью.
Основное влияние на возможность работы электронно-дырочного перехода на определённых частотах оказывают две ёмкости, которые называют диффузионной и барьерной.
Диффузионную ёмкость инициируют носители заряда, которые при прямом включении электронно-дырочного перехода в силу инжекции диффундируют через него и не успевают пройти рекомбинацию. Диффузионная ёмкость тем больше, чем существенней заряд, который перенесён через электронно-дырочный переход, и чем меньше падение напряжения на нём в прямом включении. Так как диффузионная ёмкость свойственна открытому состоянию перехода, который при этом обладает малым (в идеале нулевым) сопротивлением, она не оказывает значительного воздействия на частотные свойства.
Барьерной называют ёмкость, которая возникает при обратном включении электронно-дырочного перехода, когда практически все носители заряда находятся на границе раздела, а в нём самом отсутствуют. Барьерная ёмкость оказывает основное влияние на частотные свойства электронно-дырочного перехода, так как присуща его закрытому состоянию, обладающему высоким (в идеале бесконечным) сопротивлением. Из-за барьерной ёмкости электронно-дырочный переход на высокой частоте может потерять свойство односторонней проводимости. Чтобы этого избежать с барьерной ёмкостью борются конструктивными и технологическими методами, например, увеличивая протяжённость электронно-дырочного перехода и уменьшая его площадь, что характерно для точечных диодов.
Пробоем электронно-дырочного перехода называют явление очень быстрого роста обратного тока при незначительном повышении постоянного обратного напряжения. Выделяют три типа пробоев: зенеровский, лавинный и тепловой.
Зенеровский или по-другому туннельный пробой возникает при преодолении электронами недостаточно протяжённого потенциального барьера, в результате чего падение обратного напряжения на электронно-дырочном переходе почти неизменно при широком диапазоне флюктуаций обратного тока. Явление зенеровского пробоя положено в основу принципа действия полупроводниковых стабилитронов.
Под действием сильного электрического поля происходит разгон носителей заряда, и в области электронно-дырочного перехода имеет место такое их взаимодействие с атомами кристаллической решётки, что из-за этого имеет место образование новой пары дырки и электрона, те в свою очередь порождают ещё более новую пару и так далее. Такой неуправляемый процесс порождения носителей зарядов называют лавинным пробоем. При лавинном пробое электронно-дырочный переход заполнен носителями заряда и его дифференциальное сопротивление стремится к нулю.
Лавинный пробой и зенеровский пробой относят к электрическим пробоям. Электрические пробои обратимы. На поверхности кристалла полупроводника электрический пробой возникает прежде, чем в глубине. Тому причина в незначительных загрязнениях, деградациях материала и прочем. Поэтому выходящие на поверхность кристалла участки полупроводника для увеличения максимально допустимого обратного напряжения компонента пассивируют: вокруг них осуществляют углубление или напыление диэлектрического материала.
Тепловыделение в области электронно-дырочного перехода, пропорциональное обратному напряжению и обратному току, увеличивает температуру кристалла полупроводника и силу обратного тока, что приводит к ещё большему тепловыделению, ещё большему обратному току и более высокой температуре и так далее. В результате такого катастрофического перегрева получает развитие тепловой пробой, который разрушает электронно-дырочный переход и после остывания прежние свойства, например, односторонней проводимости, к нему уже не вернутся. Тепловой пробой возникает после электрического пробоя перехода.
На вольтамперных характеристиках электронно-дырочного перехода, показанных на рис. 2.2, лавинный пробой изображён на кривой (а), зенеровский пробой – на кривой (б), а тепловой пробой отражён в наличии участка отрицательного дифференциального сопротивления на кривой (в).
На данном рисунке пропорции по осям не соблюдены.
Переход Шоттки возникает на границе металла, уровень Ферми которого находится в зоне проводимости, и полупроводника электронного типа проводимости, который имеет более низкую работу выхода, чем у металла. Для успешного функционирования перехода Шоттки приграничная область полупроводника должна быть бедна электронами, чтобы она обладала более низкой проводимостью, чем остальная часть полупроводникового кристалла. Электроны из приграничной области полупроводника поступают в металл с более высокой работой выхода и не могут уйти обратно. На покинутом электронами месте в полупроводнике остаются положительные некомпенсированные ионы. Между металлом и полупроводником возникнет электрическое поле, тормозящее и возвращающее обратно основные носители заряда полупроводника.
Подсоединим переход Шоттки к внешнему источнику питания так, чтобы отрицательное напряжение было приложено к металлу, а положительное – к полупроводнику. Внешнее поле, которое будет направлено в ту же сторону, что и внутренне поле перехода Шоттки, будет отталкивать электроны полупроводника вглубь от границы перехода. Для электронов металла внешнее поле будет ускоряющим, однако они не покинут металл с более высокой работой выхода, чем полупроводник. Дрейфовый обратный ток через переход Шоттки совершенно отсутствует, а описанное включение перехода называют обратным.
Подключим теперь переход Шоттки к внешнему источнику питания так, чтобы положительное напряжение было подано к металлу, а отрицательное – к полупроводнику. Внешнее поле будет направлено встречно внутреннему полю перехода Шоттки, и станет переносить электроны из полупроводника через переход в металл. В металле отсутствуют неосновные носители заряда, и инжекция неосновных носителей заряда не возникает. Через переход Шоттки течёт прямой ток, а рассмотренное включение называют прямым.
Для изготовления переходов Шоттки в качестве полупроводника обычно используют кремний, а применяемые металлы и химические соединения – это золото, силицид платины, молибден и другие. Переход Шоттки не получить простым соприкосновением металла и полупроводника, а на металлическую пластину по технологиям эпитаксиального наращивания или напыления в вакууме наносят плёнку полупроводника.
Слой положительно заряженных ионов донорной примеси на границе полупроводника и металла с большей работой выхода называют переходом Шоттки в честь немецкого учёного Вальтера Германа Шоттки, который одним из первых физиков изучал контакты металлов и полупроводников. Вальтер Шоттки родился 23 июля 1886 года, а скончался 4 марта 1976 года.
Переходы Шоттки выступают основой диодов Шоттки. К достоинствам последних относят чрезвычайно малый обратный ток, который для отдельных диодов Шоттки может составлять единицы пикоампер, возможность работы компонентов отдельных марок на частотах до сотен гигагерц и даже выше. Некоторые мощные диоды Шоттки, которые используют в высокочастотных выпрямителях импульсных источников питания, допускают прямые токи в сотни ампер. Прямое падение напряжения на переходе Шоттки меньше, чем у типового электронно-дырочного перехода.
Основными недостатками диодов Шоттки выступают высокая стоимость используемых материалов и довольно низкое максимально допустимое обратное напряжение, которое обычно составляет всего лишь от 25 В до 150 В. Выдерживающие более высокие обратные напряжения диоды Шоттки (например, 400 В, 600 В), обычно получают последовательным соединением нескольких переходов Шоттки. От этого падение напряжения на сборке диодов Шоттки в прямом включении станет примерно таким же, или даже большим, чем у аналогичного по некоторым параметрам диода с электронно-дырочным переходом.
Гетеропереход – это переход, возникающий на границе химически различных полупроводниковых структур, у которых не одинакова ширина запрещённой зоны. На границе полупроводников, которые обладают одинаковыми типами проводимости, возникают изотипные гетеропереходы, а на границе полупроводников с отличными типами проводимостей – анизотипные. Важно, чтобы на границе кристаллических решёток полупроводников, образующих гетеропереход, не было дефектов кристаллической решётки, отсутствовали механические напряжения материалов. В области гетероперехода происходят изменения свойств веществ, образующих его, такие как смещения запрещённой и энергетических зон, изменение скорости, с которой распространяются носители заряда и прочее. Для получения гетеропереходов используют полупроводниковые пары AlAs и GaAs, AlSb и GaSb, GaAs и Ge, ZnSe и GaAs и другие. Используя наборы гетеропереходов, получают многослойные образования, которые называют гетероструктурами.
Полупроводниковые гетеропереходы нашли применение в особо сверхвысокочастотных транзисторах, диодах, светодиодах, лазерах и прочих компонентах.
Эффект Ганна, на принципе которого строят диоды Ганна, был открыт в 1963 году американцем Джоном Ганном. Диод Ганна не обладает электронно-дырочным переходом, а состоит из пластины электронного типа проводимости, выполненной из фосфида индия, арсенида галлия, антимонида галлия и др., к противоположным граням которой подсоединены электроды. Толщина полупроводниковой пластинки составляет от сотен нанометров до сотен микрометров. Концентрация донорных примесей, которые вносят в полупроводник, составляет обычно 1015 см–3. Удельное сопротивление не одинаково по протяжённости полупроводника, а максимальная концентрация примеси сформирована у граней пластины, к которым подсоединены контакты. Полупроводниковую пластину обычно выполняют неравномерного сечения сложной конфигурации, создавая на ней выступы и впадины. Работа и параметры диода Ганна напрямую зависят от распределения примесей в полупроводнике и его формы.
Для изучения эффекта Ганна обратим внимание на рис. 2.3, на котором представлена зависимость проводимости полупроводника i от напряжённости электрического поля E.
Подадим напряжение от внешнего источника питания к граням полупроводника, предназначенным для этого. Пока напряжённость поля будет мала, концентрация носителей зарядов от неё зависеть не станет, что отражено на рисунке линейным нарастанием проводимости полупроводника на участке от начала координат до точки A. Последующее повышение напряжённости поля приводит к замедлению роста проводимости полупроводника, и в точке B, соответствующей критической напряжённости поля, она перестанет повышаться. Дальнейшее увеличение напряжённости поля вызывает повышенную интенсивность ударов электронов об атомы кристаллической решётки полупроводника, что приводит к уменьшению его дифференциальной проводимости на участке от B до C. Участок отрицательного дифференциального сопротивления имеет место лишь для переменных токов и напряжений. При увеличении напряжённости поля в связи с тем, что удельное сопротивление в объёме полупроводника несколько различно и волновые возмущения не постоянны, электроны с малой эффективной массой, называемые «быстрыми», отталкиваемые электрическим полем, начнут формировать и заполнять собой участок в сечении полупроводниковой пластины. Эффективная масса для разных электронов не одинакова, так как зависит от взаимодействия с кристаллической решёткой, кинетической энергии электронов и пр. Чаще всего наибольшая неоднородность удельного сопротивления бывает у мест подключений металлических контактов к полупроводниковой пластине. Вакантные места, которые покинули электроны, образуют электростатический домен, обладающий неподвижными некомпенсированными ионами с объёмными положительными зарядами и возникающий в месте наибольшей напряжённости поля в полупроводнике. Подходя к домену, «быстрые» электроны увеличивают свою эффективную массу, и становятся «медленными». Электрическое поле вызывает движение носителей зарядов, и вслед за электронами происходит исключительно быстрое перемещение электростатического домена в сечении пластины полупроводника. При этом направление движения возможно сугубо от места отрицательного электрода (катода) к области положительного электрода (анода). При достижении электростатическим доменом области положительного электрода происходит рекомбинация и рассеивание домена, вызывающие протекание тока наибольшей амплитуды. Скорость, с которой электростатический домен перемещается по объёму арсенида галлия, составляет 105 (м/с), а для других полупроводников может быть даже больше. И тут же вблизи отрицательного электрода происходит формирование нового электростатического домена, и процесс повторяется. Постоянные формирования, движения и рассасывания электростатических доменов приводят к генерированию колебаний сверхвысоких частот.
Напряжённость поля, соответствующую прекращению уменьшения дифференциальной проводимости, называют пороговой. При дальнейшем увеличении и без того очень большой напряжённости поля снижение проводимости уже не возникает, а, наоборот, возрастание концентрации носителей зарядов инициирует её ускоренный подъём.
Так как электростатический домен занимает всё сечение полупроводника, стало возможно создать мощные диоды Ганна. Современные диоды Ганна генерируют колебания с частотами примерно от 1 ГГц до 150 ГГц и даже более. Максимальная мощность полученных колебаний достигает у маломощных компонентов 0,3 Вт, а у мощных специальных диодов Ганна была достигнута мощность в 2 кВт. Типовой КПД диодов Ганна лежит в пределах от 3% до 20%.
Соединим кристалл полупроводника и металл друг с другом и приложим к ним в обратном включении постоянное напряжение. При этом обратный дрейфовый ток не течёт, а на поверхности металла будет сосредоточен такой же по величине заряд, как заряд полупроводника. Важно то, что заряд полупроводника можно будет наблюдать не только на его поверхности, но и на некоторой глубине, то есть концентрация свободных носителей заряда будет максимальна на поверхности полупроводника и станет уменьшаться с глубиной проникновения в его толщу. Поверхностный слой полупроводника в данном случае именуют каналом. Если проводимость канала из-за наличия внешнего поля будет больше (обогащение канала) или меньше (обеднение канала), чем в среднем в кристалле, то это явление именуют эффектом поля. Эффект поля лежит в основе принципа действия полевых транзисторов с индуцированным каналом.
Эффект Суля (или по-английски «Suhl effect») состоит в смещении магнитным полем траектории неосновных инжектированных носителей заряда к одному из краёв полупроводника в результате действия силы Лоренца. Если прямоугольную пластину полупроводника с электронно-дырочным переходом положить горизонтально и к торцам подсоединить источник питания так, чтобы переход был в прямом включении, то неосновные носители заряда – дырки – будут отклоняться вверх. На поверхности полупроводника будет скопление неосновных носителей зарядов, концентрация которых ограничена рекомбинацией и миграцией внутрь полупроводниковой пластины по причине теплового движения. Работа магнитотранзисторов связана с эффектом Суля.
Если в месте контакта двух специально подобранных разнородных материалов создать разность температур, то между этими материалами возникнет ЭДС. Это свойство носит называние эффекта Зеебека, а обратное явление появления разности температур при протекании электрического тока именуют эффектом Пельтье. В качестве материалов могут выступать два металла, но при этом будет мала развиваемая ими термо-ЭДС. Чтобы получить большую величину термо-ЭДС, в качестве материалов используют пары полупроводников с электронным и дырочным типами проводимостей. Например, широко применяют пары кристаллов твёрдых растворов, обладающих электронным типом проводимости, Bi2Te3 – Bi2Se3 с па́рами кристаллов твёрдых растворов, имеющих дырочный тип проводимости, Bi2Te3 – Sb2Te3. Так как термо-ЭДС от одного соединения таких пар довольно мала, на практике несколько аналогичных наборов полупроводниковых структур соединяют последовательно.
Поговорим об эффекте Зеебека. Если один участок материала будет нагрет больше, чем другой, то электроны вследствие теплового движения будут перемещаться в направлении к менее нагретому участку. При этом из-за диффузии одна область материала будет перенасыщена электронами, а другая, наоборот, бедна ими, в результате чего между ними возникнет термо-ЭДС, и при подключении нагрузки потечёт электрический ток. Он будет противодействовать перераспределению электронов в материале.
Рассмотрим сущность эффекта Пельтье. Если через контакт специально отобранных полупроводников пропускать электрический ток, то в результате его действия, перемещаясь из одного полупроводника в другой, электроны, которые находились в более высокой энергетической зоне, попадают в полупроводник, в котором станут занимать более низкую энергетическую зону, а избыточная энергия перейдёт в тепло. Т.е. имевшие большую энергию электроны вынуждены отдать часть энергии, что вызовет тепловыделение. При этом температура той части системы, которую покидают электроны, уменьшается. А температура другой части, в которую они поступают, наоборот увеличивается. При активном отводе тепла от нагреваемого участка температура охлаждаемого участка станет ещё ниже.
Принцип действия элементов Пельтье основан на эффекте Пельтье, а элементов Зеебека, – на эффекте Зеебека. Элементы Зеебека применяют в качестве датчиков температуры. Некоторые элементы Пельтье позволяют охладить предназначенные для этого участки полупроводника до меньшей температуры, чем ноль градусов Цельсия. К достоинствам элементов Пельтье и Зеебека относят компактность, отсутствие механических частей и шума при функционировании, высокую надёжность. Недостаток – крайне низкий КПД компонентов.
Туннельный эффект был открыт японцем Лео Эсаки, который в 1973 году получил за него Нобелевскую премию, а практический образец туннельного диода был изготовлен ещё в 1958 году. Туннельный эффект, который относят к группе квантовых эффектов, заложен в основу принципа действия туннельных диодов. Туннельный диод обладает очень тонким электронно-дырочным переходом, который образован вырожденными полупроводниками. Толщина электронно-дырочного перехода не должна превышать 10 нм. Роль полупроводника может играть кремний, антимонид галлия, арсенид галлия и др. Рассмотрим вольтамперную характеристику туннельного диода, изображённую на рис. 2.4.
При увеличении приложенного к диоду постоянного напряжения в прямом включении, прямой ток до определённой величины практически линейно возрастает.
При дальнейшем увеличении подведённого к диоду постоянного напряжения из-за высокой внутренней напряжённости поля, достигающей 108 B/м, происходит разгон электронов, которые в момент попадания в тонкий электронно-дырочный переход не успевают остановиться и прошивают его насквозь, подобно движению в туннеле, практически без уменьшения энергии. В электронно-дырочном переходе в результате квантовых эффектов имеет место снижение напряжённости поля и уменьшение прямого тока через туннельный диод почти вплоть до полного прекращения. Это указывает на отрицательное дифференциальное сопротивление, которое равно приращению постоянного напряжения, приложенному у p-n переходу, делённому на отрицательное приращение постоянного тока. Туннельным эффектом называют квантовый процесс преодоления частицами электронно-дырочного перехода по причине высокой напряжённости поля без существенного изменения энергии. А участок отрицательного дифференциального сопротивления позволяет осуществлять генерацию, преобразование или усиление сигналов сверхвысоких частот за счёт потребляемой от источника питания энергии. Действительно, малошумящие каскады с отдельными промышленно изготавливаемыми туннельными диодами усиливают сигналы с частотой примерно 80 ГГц, и даже несколько более высокой. Столь высокое быстродействие легко объяснить чрезвычайно быстрым преодолением электронами электронно-дырочного перехода.
При последующем повышении приложенного к туннельному диоду постоянного прямого напряжения носители заряда диффундируют сквозь электронно-дырочный переход. Вследствие этого происходит повышение прямого тока при увеличении прямого напряжения, что не имеет отличий от прямой ветви вольтамперной характеристики обычного электронно-дырочного перехода.
При обратном включении туннельного диода дырки не испытывают трудностей в преодолении электронно-дырочного перехода и проникновения в область электронного типа, следовательно, туннельные диоды не обладают свойством односторонней проводимости.
Эффект Холла был выявлен в 1879 году Эдвином Гербертом Холлом. Эффект Холла, состоящий в отклонении электронов к одному из краёв пластинки и появлении между краями ЭДС, обнаружен в полупроводниках электронного типа проводимости, обязательно помещённых в магнитное поле, по которым протекает постоянный электрический ток. Эта ЭДС, называемая ЭДС Холла, возникает вследствие воздействия на упорядоченно движущиеся электроны силы Лоренца, которая отклоняет их к одному из краёв пластинки, которая приобретает отрицательный заряд. Другой край пластинки заряжен положительно, так как станет богат положительными носителями заряда. Материалом полупроводника может выступать селенид ртути, кремний, арсенид индия и пр. Напряжение Холла, возникающее между краями пластины, не велико и обычно менее нескольких десятков милливольт. Поэтому для возможности беспрепятственной регистрации его необходимо усилить. Эффект Холла лежит в основе принципа действия датчиков Холла, которые применяют в бесконтактных измерителях магнитной индукции: магнитометрах, тесламетрах и др.
Были открыты и другие подобные эффекты. Например, был открыт эффект Нернста–Эттингсгаузена, состоящий в возникновении электрического поля в полупроводнике, в котором наличествует градиент температур и который находится в магнитном поле. Рассмотрение данных эффектов выходит за рамки настоящего материала.
