Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
эффектом Бурштейна-Мосса. Из-за чрезвычайной малости эффективной массы
электрона в InSb уровни зоны проводимости быстро заполняются с
увеличением п, сдвигая уровень Ферми выше дна зоны проводимости. Это
проиллюстрировано на рис. 14.4. Заполненные состояния ниже уровня Ферми
запрещены для переходов из вершины валентной зоны, поэтому переходом с
наименьшей энергией будет переход не на дно зоны проводимости, как для
слаболегированных материалов, а на уровень Ферми. Так как последний
поднимается с увеличением п, то край полосы поглощения сдвигается в
сторону более коротких длин волн. В InSb р-типа из-за большей массы дырок
этот эффект выражен намного слабее.
Эффект наблюдался в нескольких полупроводниках, включая Ge л-типа. Для л-
Ge подробную теорию дали Панков и Эгрен [40]. Они же провели ее сравнение
с экспериментом. Для величин п, превышающих 101в см-3, в области края
полосы поглощения было также обнаружено увеличение наклона кривой
поглощения, кото-
14. Некоторые специальные вопросы
503
Рис. 14.4. Влияние сильного легирования InSb на положение низкочастотного
края полосы фундаментального поглощения.
рое, как предполагают, обусловлено особенностями процессов рассеяния в
условиях таких высоких концентраций носителей. При этом предположении в
полупроводниках с непрямыми переходами, таких, как Ge, закон сохранения
энергии может выполняться и без участия фононов.
14.4.3. ТУННЕЛИРОВАНИЕ В СИЛЬНОЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Одним из наиболее интересных новых эффектов, обусловленных сильным
легированием, является заметное изменение формы вольт-амперной
характеристики р - л-перехода, когда обе области, и л-типа, и p-типа,
сильно легированы. Этот эффект впервые обнаружил Есаки [41]. Диоды с
такими р-л-переходами обычно называют диодами Есаки. Вольтамперная
характеристика такого перехода для прямого направления показана на рис.
14.5. Точке О, т. е. отсутствию напряжения смещения, соответствует зонная
схема р-л-перехода, показанная на рис. 14.6. Ее следует сравнить с
504
14. Некоторые специальные вопросы
Рис. 14.5. Типичная вольтамперная характеристика (I!V) в прямом
направлении для р - л-перехода в сильнолегированном Si (диод Есаки).
Участки, обозначенные О, А, В, С, D, соответствуют рис. 14.6, о, о, б, в,
г соответственно.
рис. 7.8 для слаболегированного р-л-перехода. Можно видеть, что разность
энергий между Ес и Ev в л- и p-частях вдали от перехода в данном случае
оказывается больше, чем ширина запрещенной зоны, из-за вырождения в я- и
p-частях. Здесь подразумевается, что возбуждение носителей через
потенциальный барьер при приложении напряжения будет меньше, чем в
слаболегированном переходе. Переход носителей между я- и p-частями имеет,
однако, место из-за туннелирования через область перехода при условии,
что имеются разрешенные уровни с одинаковыми энергиями [42]. В
равновесных условиях большинство занятых электронных состояний (т. е.
свободных от дырок) в области p-типа лежит напротив занятых электронных
состояний в области я-типа, и между ними будет иметь место только
небольшое число актов обмена электронами. Однако, как только будет
приложено напряжение, некоторые занятые электронные состояния в л-области
окажутся напротив пустых электронных (занятых дырочных) состояний в p-
области, что проиллюстрировано на рис. 14.6, а. Это ведет к плавному
увеличению прямого тока, как показано на участке А на рис. 14.5. Такое
увеличение продолжается до тех пор, пока энергетические состояния,
заполненные дырками, в p-области не перекроются полностью с состояниями,
заполненными электронами, в л-области, как показано на рнс. 14.6, б.
Дальнейшее увеличение напряжения V ведет к уменьшению этого перекрытия,
как показано на рис. 14.6, в. Ток I
14. Некоторые специальные вопросы
505
в
"-^дххххХУ УУ)С>
Рис. 14.6. Изменение зонной схемы в сильнолегированном р - л-переходе при
приложении к нему напряжения V в прямом направлении.
достигает максимума в точке В на рис. 14.5, а затем быстро падает. Именно
этот отрицательный наклон вольтамперной характеристики и придает диоду
Есаки его практическую важность. Так как концентрация электронов и дырок
возле уровня Ферми при комнатной температуре меняется с энергией не
резко, то имеется небольшое перекрытие их занятых состояний, приводящее к
некоторому току
506
14. Некоторые специальные вопросы
на участке С. Величина тока проходит через плоский минимум и остается
малой до тех пор, пока напряжение не возрастет настолько, чтобы
установился нормальный механизм теплового возбуждения носителей в р-n-
переходе через потенциальный барьер, уменьшающийся с увеличением прямого
напряжения, как продемонстрировано на рис. 14.6, г. Это обусловливает
быстрое возрастание тока, как показано на участке D рис. 14.5.
Туннельные диоды изучались на основе многих полупроводников помимо Ge и
Si, например на GaSb и GaAs. Все их характеристики весьма схожи, кроме
положения максимума в точке В и минимума в точке С на рис. 14.5.
