Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 5.15 приведен пример определения энергетических уровней атомов цинка в германии, которые являются двойными акцепторами *). Компенсирующие мелкие доноры создавались
Рис. 5.15. Зависимость постоянной Холла от температуры для различных образцов германия, содержащих цинк, частично компенсированный сурьмой. 1 - Nsb < Nzn (р-™п); 2 - NZn< < Nsb < 2NZn (p-тип); 3 — Nsb > > 2NZn (n-тип).
*) По данным работы W. W. Tyler, H. H. Woodbury, Phys. Rev. 102, 647 (1956).
204
СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ И ДЫРОК
[ГЛ. V
введением сурьмы. При N sb < NZn зависимость логарифма постоянной Холла от 1/Т в области низких температур становится прямолинейной, с наклоном, соответствующим энергии ионизации нижнего уровня цинка Ег — Ev. Когда концентрация компенсирующих доноров возрастает и попадает в интервал Nzn <. Nsb < 2Nz«, наклон прямых становится большим и-соответствует энергии ионизации второго уровня цинка Е2 ~ Ev. Если концентрация доноров делается еще больше (Nsb > 2iVzn), образцы становятся электронными (а не дырочными), концентрация-основных носителей (электронов) определяется теперь уже возбуждением с избыточных атомов сурьмы и ее зависимость от температуры становится слабой.
Отметим в заключение, что в исследованиях такого рода часто измеряют не концентрацию основных носителей (постоянную Холла), а удельное сопротивление, что экспериментально проще. Так как в частично компенсированных полупроводниках подвижность носителей заряда зависит от температуры гораздо слабее, чем их концентрация, то это приводит лишь к небольшой ошибке, которой часто можно пренебречь.
Глава VI
ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ (МОНОПОЛЯРНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ)
§ 1. Потенциальные барьеры
При контакте двух различных полупроводников, или полупроводника с металлом в пограничных слоях возникают потенциальные барьеры, а концентрации носителей заряда внутри этих слоев могут сильно изменяться по сравнению с их значениями в объеме. Свойства приконтактных слоев зависят от приложенного внешнего напряжения, что приводит в ряде случаев к сильно нелинейной вольтамперной характеристике контакта. Нелинейные свойства контактов используют для выпрямления электрического тока, для преобразования, усиления и генерации электрических колебаний и для других целей.
В настоящей главе мы будем предполагать, что ток образован только носителями заряда одного типа (монополярная проводимость). Явления в контактах в случае биполярной проводимости будут рассмотрены в гл. VIII.
Поясним образование потенциальных барьеров на примере контакта металл — электрбнный полупроводник.
На рис. 6.1, а показана энергетическая диаграмма для обоих тел до контакта. Отмечены: уровень энергии покоящегося электрона в вакууме Е0, края зон ?, и ?» в полупроводнике, а также положения уровней Ферми в металле F, и в полупроводнике Fn. Разность Е0 — Ес = % есть электронное сродство полупроводника.
На рис. 6.1, б изображена ситуация сразу после образования контакта. Электроны из полупроводника получают возможность переходить в металл, создавая некоторую плотность тока Д, а электроны металла — в полупроводник, образуя плотность тока —/2. Эти токи, вообще говоря, не равны по величине. Если, например, /'] < /.,, то полупроводник будет заряжаться отрицательно, а металл — положительно до тех пор, пока оба тока не скомпенсируют друг друга.
В установившемся состоянии мы получим энергетическую диаграмму рис. 6.1, в. Края энергетических зон окажутся изогнутыми вниз, а концентрация электронов в приконтактном слое — больше, чем в объеме (обогащенный слой).
В противоположном случае /х > /2 установившееся искривление зон будет изображаться рис. 6.1, г и мы получим обедненный прикон-
206
ЯВЛЕНИЯ в КОНТАКТАХ (МОНОПОЛЯРНАЯ ПРОВОДИМ.) [ГЛ. VI
тактный слой. Высота потенциального барьера (со стороны полупроводника) равна —еик, где uk — разность потенциалов в глубине полупроводника и в контактной плоскости, а е — абсолютная величина заряда электрона.
На рис. 6.1 мы показывали искривление зон только в полупроводнике. Оно, конечно, существует и в металле. Однако толщина слоев объемного заряда и падение напряжения на них уменьшаются с увеличением концентрации носителей заряда (см. § 9 и § VIII.5). Поэтому в металле они пренебрежимо малы по сравнению с их значениями в полупроводнике.
\ *
-t
г
л
-?а
-Fn
vmz%Lt>
¦Fa
CL)
wmmEv 6)
Рис. 6.1. Образование потенциального барьера в контакте металл — полупроводник: а) до контакта; б) при контакте, нет равновесия; в) равновесие, обогащенный слой; г) равновесие, обедненный слой.
При контакте двух полупроводников качественная картина явлений аналогична. Однако здесь уже необходимо учитывать существование барьеров в обоих контактирующих телах (см. § 9).
Отметим, что влияние потенциальных барьеров на электрический ток существенно проявляется только в контактах невырожденных полупроводников. Это связано с тем, что концентрация электронов в полупроводниках намного меньше, чем в металлах в силу особенностей энергетической структуры полупроводников (существования запрещенной зоны энергий и положения уровня Ферми внутри этой зоны). Вследствие этого, во-первых, толщина потенциальных барьеров оказывается больше длины волны де Бройля для электронов, так что квантовомеханический туннельный эффект в них не имеет места. И, во-вторых, основная часть электро-
