Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
довольно давно. Транзисторный эффект добавил к ним третий метод,
позволяющий управлять проводимостью посредством тока.
1 Этот эффект был открыт Эдмоном Беккерелем, отцом Анри Беккереля -
первооткрывателя радиоактивности.
2 Точнее говоря, имеется в виду факт, что отношение тока К напряжению в
таком устройстве не является постоянным, т. е. Щ описывается законом Ома,
а зависит как от знака, так и от велич чйны напряжения.
169
В 20-е годы эффект возникновения фото-ЭДС и выпрямляющее свойство
полупроводников начали практически использоваться; при этом стало
выясняться, что оба эти эффекта представляют собой поверхностные явления,
тогда как фотопроводимость и отрицательный температурный коэффициент
сопротивления связаны с объемом материала. К концу этого десятилетия было
установлено, что проводимость зависит как от числа носителей заряда в
единице объема, так и от их подвижности (последняя определяется
отношением дрейфовой скорости носителей в электрическом поле к величине
этого поля). В начале 30-х годов измерения эффекта Холла 1 в
полупроводниках показали, что для них обе эти величины значительно
отличаются от аналогичных величин для металлов. Плотность числа носителей
в металлах почти постоянна, причем не только при переходе от одного
металла к другому, но и при изменении температуры. В полупроводниках
плотность числа носителей изменяется от одного образца к другому (даже
если они изготовлены из одного материала), сильно возрастает с
температурой и на несколько порядков меньше, чем в металлах.
Подвижность носителей существенно изменяется при переходе от одного
материала к другому как в металлах, так и в полупроводниках; она падает с
увеличением температуры2, и рост сопротивления металлов связан именно с
этим эффектом, тогда как в полупроводниках последний перекрывается ростом
плотности носителей.
Эффект Холла позволяет определить не только число, но и знак носителей
заряда, по крайней мере доминирующих в процессах электропереноса. В
некоторых полупроводниках при не слишком высоких температурах были
обнаружены носители положительного знака; в других - преимущественно
соединениях, а не простых элементах (например, окислах меди или цинка)-
знак
1 Эффект Холла сосуоит в следующем: если ток течет по проводнику
перпендикулярно магнитному полю, между сторонами проводника возникает
разность потенциалов (т. е. она направлена перпендикулярно как току, так
и магнитному полю).
2 Если отвлечься от тонких эффектов, это утверждение, справедливое для
металлов, для полупроводников неверно. В последних подвижность
максимальна при температурах ~ 50 -100 К. Рассмотрение причины этого
явления выходит за рамки данной книги. - Прим. ред.
170
основных носителей часто оказывался зависящим от очень малых отклонений в
составе полупроводника от точной химической формулы. Так, если в Си20 не
хватало нескольких миллионных долей Си, носители были положительными;
если не хватало столь же малого количества О в ZnO, они былтг
отрицательными. Однако при высоких температурах (комнатной и выше)
проводимость всегда была обусловлена преимущественно отрицательными
носителями, плотность которых еще могла изменяться от одного вещества к
другому, но была одинаковой для разных образцов одного и того же
вещества.
С развитием квантовомеханических представлений о поведении электронов в
твердых телах А. X. Вильсону в 1931 г. удалось создать модель
полупроводника, отражающую многие из названных свойств. Модель,
схематически изображенная на рис. 9.1, основана на том факте, что в
твердом теле дискретные энергетические уровни электронов отдельных атомов
размываются практически в непрерывные полосы (зоны), разделенные
"щелями"- значениями энергии, которые электроны не могут принимать.
Электроны, находящиеся в полностью заполненных зонах, - в
противоположность электронам не полностью заполненных зон - не могут
участвовать в создании электрического тока. Металлическая проводимость
возникает тогда, когда высшая из занимаемых электронами зон заполнена
лишь частично, так что большая часть электронов может участвовать в
создании тока; этот случай представлен на рис. 9.1,а. В идеально чистом
полупроводнике высшая из занятых зон полностью заполнена при абсолютном
нуле температур, а следующая за ней более высокая зона абсолютно пуста '.
Однако разделяющая эти зоны энергетическая щель Eg мала - порядка одного
электрон-вольта. Вероятность того, что электрон в результате теплового
возбуждения преодолеет эту щель при температуре Т, пропорциональна ехр(-
Eg/kT), где k - постоянная Больцмана, равная 8,617-10~5 эВ/K, Т -
абсолютная температура2.
1 Высшая из полностью заполненных при абсолютном нуле температуры зон в
идеальном кристалле называется валентной зоной; следующая за ней зона
называется зоной проводимости.
2 ехр(х) = ех, где е = 2,31823.
171
Таким образом, для не слишком низких температур, значительное число
электронов < окажется в зоне прово-димости, где они смогут принять
