Зависимость удельной проводимости от температуры

Так, для области собственной проводимости при температурах Т₁ и Т₂ для удельных проводимостей ₁ и ₂ справедливы формулы

ln₁ = ln_o - W_o/2kT₁,

ln₂ = ln_o - W_o/2kT₂,

из которых получим

W_o = 2k(ln₁ - ln₂)/(1/T₂ - 1/T₁).

Аналогично можно определить энергию активации на примесном участке электропроводности.

3.2.3 Зависимость электропроводности от концентрации примесей

3.2.4 Зависимость электропроводности от напряженности внешнего электрического поля

Воздействие сильного электрического поля приводит к значительному росту концентрации свободных носителей заряда. Различают несколько механизмов повышения концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике под действием внешнего электрического поля – электростатическую, термоэлектронную и ударную ионизации.

Под воздействием внешнего электрического поля напряженность Е на полупроводник его энергетические зоны становятся наклонными. Это происходит из-за добавления к энергии электрона в полупроводнике дополнительной энергии, обусловленной внешним электрическим полем. Из рисунка видно, что в сильном электрическом поле при наклоне зон возможен переход электрона из валентной зоны и примесных уровней в зону проводимости без изменения энергии - путем тунельного просачивания электронов через запрещенную зону. Этот механизм увеличения концентрации свободных носителей под действием сильного электрического поля называется электростатической ионизацией.

Термоэлектронная ионизация начинается в области низких температур (до истощения примесей) при напряженности электрического поля, равной и выше критической величины Екр. Созданное при этом в полупроводнике электрическое поле действует на электроны атомов донорной примеси с некоторой силой, под действием которой понижается потенциальный барьер, удерживающий электрон около атома примеси, что облегчает термическую активацию (ионизацию) электрона и, следовательно возрастает вероятность его перехода в зону проводимости. Зависимость концентрации свободных электронов от напряженности начинает наблюдаться только с некоторой критической напряженности поля Екр, равной 10⁴-10⁶ В/м. В более слабых полях концентрация и, следовательно, электропроводность полупроводника от величины Е практически не зависят.

При напряженностях внешнего поля более 10⁷ В/м электроны приобретают энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости и наблюдается ударная ионизация. Ионизирующий электрон при этом остается в зоне проводимости.

На рисунке приведена зависимость удельной проводимости от приложенного электрического поля.

1 – участок выполнения линейности закона Ома,

2 – термоэлектронная ионизация,

3 – электростатическая и ударная ионизация

4 – пробой.

3.2.5 Влияние деформации на электропроводность полупроводников

Проводимость твердого кристаллического тела изменяется от деформации из-за увеличения или уменьшения (растяжение, сжатие) междуатомных расстояний и приводит к изменению концентрации и подвижности носителей заряда.

Концентрация меняется вследствие изменения ширины энергетических зон полупроводника и смещения примесных уровней, что приводит, в свою очередь, к изменению энергии активации носителей заряда и, следовательно, к уменьшению либо к увеличению концентрации.

Подвижность меняется из-за увеличения или уменьшения амплитуды колебания атомов при их сближении или удалении.

Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительность

ар=(Δρ/ρ)/(Δi/i)

которая представляет собой отношение относительного изменения удельного сопротивления к относительной деформации в данном направлении.

3.2.6.Влияние света на электропроводность полупроводников. Фотопроводимость полупроводников

При прохождении света через полупроводник частицы света (фотоны) частично отражаются, а частично поглощаются электронами и атомами кристаллической решетки. Степень поглощения электромагнитной энергии характеризуется коэффициентом поглощения a. Значение обратное коэффициенту поглощения 1/a, равно толщине слоя полупроводника, при прохождении через который интенсивность света уменьшается в е раз (е=2,72).

Поглотив фотон, электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Для перехода в зону проводимости электрону необходимо поглотить фотон, энергия которого достаточна для преодоления запретной зоны DW. Энергия такого фотона

W= hv = hc/l,

Где h - постоянная Планка, h= 4,14*10^-15 эВ*с;

С - скорость света, с=3*10⁸ м/с;

v – частота падающего света;

l - длина волны падающего света.

Например, кремний поглощает свет с длиной волны меньше l= 1,1 мкм.

Максимальную длину волны, которую поглощает полупроводник называют длинноволновой или красной границей. С учетом того, что ширина запретной зоны различных полупроводников находится в интервале от 0,1 до 3 эВ, то пороговая длина поглощаемого света может находиться в разных частях спектра: инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой.

Если электромагнитной энергии фотона достаточно для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, то такой переход называют прямым. Если поглощенной энергии фотона недостаточно и требуемую дополнительную энергию он получает за счет тепловых колебаний, то такой переход называют непрямым.

Поглощение света в полупроводнике приводит к появлению дополнительных при данной температуре неравновесных носителей заряда, что повышает его электропроводность.

Проводимость, вызванную действием света, называют фотопроводимостью.

При увеличении интенсивности облучения число свободных носителей заряда в полупроводнике возрастает. Одновременно увеличивается и интенсивность процесса рекомбинации. Возрастание процессов генерации и рекомбинации идет до тех пор, пока между ними не установится динамическое равновесие. Это процесс называют релаксацией (процесс постепенного возвращения в состояние равновесия какой-либо системы, выведенной из такого состояния, после прекращения действия факторов, выведших ее из состояния равновесия; от латинского relaxatio – уменьшение напряжения, ослабление) фотопроводимости. Время, необходимое для рекомбинации появившихся при облучении неравновесных носителей заряда, для различных полупроводников составляет от наносекунд до нескольких часов. Время за которое концентрация неравновесных носителей заряда уменьшается в е раз, называют эффективным временем жизни неравновесных носителей заряда t. Если время жизни свободных электронов в полупроводнике равно t, то в единицу времени число электронов в зоне проводимости уменьшается на Dn/t, где Dn= n-n₀ - изменение концентрации неравновесных носителей.

Зависимость электропроводности полупроводниковых материалов от освещения используют для создания фоточувствительных приборов, которые работают в широком диапазоне длин волн (от длинных инфракрасных до коротких ультрафиолетовых).

Процесс воздействия света на полупроводник имеет обратимый характер. При обратном переходе электрона из верхнего состояния в нижнее освободившаяся энергия также может быть выделена в виде кванта света. Такое свечение не является тепловым (равновесным). Среди неравновесных излучений особое место занимает люминесценция.