БСЭ. Большая Советская Энциклопедия (ПО)

  Термоэлектрические явления в полупроводниках.Возможности использования термоэлектрических явлений в П. перспективны для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а также для охлаждения. Полупроводниковые термоэлементы позволяют получать кпд преобразования ~10% или охлаждение до 230 К. Причиной больших (на несколько порядков больших, чем в металлах) величин термоэдс и коэффициентов Пельтье (см. Пельтье эффект ) в П. является относительная малость концентрации носителей. Электрон, переходя со дна зоны проводимости E _cна уровень Ферми E _Fметалла, находящегося в контакте с данным П., выделяет энергию (теплоту Пельтье) П= E _c- E _Fили поглощает её при обратном переходе. С термодинамической точки зрения E _Fесть химический потенциал электронов и поэтому он должен быть одинаков по обе стороны контакта. В П. в области примесной проводимости величина П= E _c- E _Fопределяется условием: n= N _d- N _a.При не слишком высокой концентрации примесей она оказывается большой ( П= E _c- E _F>> kT) и относительно быстро возрастающей с ростом температуры, что обеспечивает большие значения Пи термоэдс а, связанной с Псоотношением: П= a Т.

  В металлах E _Fлежит глубоко в разрешенной зоне и из-за очень сильного вырождения в переносе тока принимают участие лишь электроны с энергиями очень близкими к E _F.Среднее изменение энергии электрона при прохождении контакта двух металлов оказывается поэтому очень малым: П~ kT.

  Контактные явления, р-n-переход.Контакты П. с металлом или с др. П. обладают иногда выпрямляющими свойствами, т. е. значительно эффективнее пропускают ток в одном направлении, чем в обратном. Это происходит потому, что в приконтактной области изменяется концентрация или даже тип носителей тока, т. е. образуется пространственный заряд, обеспечивающий контактную разность потенциалов,необходимую для выравнивания (в состоянии равновесия) уровней Ферми по обе стороны контакта. В отличие от металлов, в П. эта область оказывается достаточно широкой, чтобы при малой концентрации носителей обеспечить нужный перепад потенциала. Если знак контактной разности потенциалов таков, что концентрация носителей в приконтактной области становится меньшей, чем в объёме П., то приконтактный слой определяет электросопротивление всей системы. Внешняя разность потенциалов дополнительно уменьшает число носителей в приконтактной области, если она добавляется к контактной разности потенциалов или, наоборот, увеличивает их концентрацию, если знак её противоположен. Т. о., сопротивление контакта для токов в прямом и обратном направлениях оказывается существенно разным, что и обеспечивает выпрямляющие свойства контакта (барьер Шотки).

  Такие контакты явились первыми полупроводниковыми приборами (выпрямители, детекторы), однако развитие полупроводниковой электроники началось лишь после того, как были созданы р-n-переходы (см. Электронно-дырочный переход ) -контакты областей П. с разным типом проводимости внутри единого полупроводникового кристалла. Контактная разность потенциалов в этом случае близка к ширине запрещенной зоны, т.к. E _Fв n-области лежит вблизи дна зоны проводимости E _c,а в р-области - вблизи валентной зоны E _u.Уменьшающая её внешняя разность потенциалов вызывает диффузионные потоки электронов в р-область и дырок в n-область (инжекцию неосновных носителей тока). В обратном направлении р-n-переход практически не пропускает ток, т.к. оба типа носителей оттягиваются от области перехода. В П. с большой длиной диффузии, таких, как Ge и Si, инжектированные одним р - n-переходом неравновесные носители могут достигать другого, близко расположенного р-n-перехода, и существенно определять ток через него. Ток через р-n-переход можно изменять, создавая вблизи него неравновесные носители каким-либо др. способом, например освещением. Первая из этих возможностей управления током р-n-перехода (инжекция) является физической основой действия транзистора,а вторая (фотоэдс) - солнечных батарей.

   Горячие носители. Нелинейные явления в полупроводниках. Относительная малость концентрации свободных носителей и их средней энергии в П. (по сравнению с металлами), а также большие длины свободного пробега приводят к тому, что не только концентрации, но и распределение по энергиям носителей тока в соответствующей зоне сравнительно легко и в широких пределах можно изменять различными внешними воздействиями. Вместе с энергией носителей меняются и др. их характеристики (эффективная масса, время свободного пробега, подвижность и т.п.).

  Наиболее важно воздействие сильных электрических полей, которые способны изменять распределение носителей по энергиям и их концентрации. Для этого часто бывают достаточны поля ~ 100-1000 в/см,а иногда ещё меньше (см. ниже). Рассеиваясь на примесях и полностью утрачивая при этом направленность своего движения по полю, электрон вообще не отдаёт энергию, а при испускании фононов отдаёт лишь малую её долю d << 1. Поэтому, когда энергия, набираемая носителем за счёт ускорения его полем Е

на длине свободного пробега l,равная eEl,становится столь большой, что d eEl> kT,то электрон уже не способен полностью отдагь её на возбуждение колебаний решётки и его средняя энергия начинает возрастать. Существенно, что из-за хаотического изменения скорости при рассеянии возрастает именно энергия хаотического движения, а скорость направленного движения остаётся по-прежнему относительно малой (горячие носители). Более того, из-за возрастания числа столкновений с фононами, с ростом энергии носителей увеличение u _дс дальнейшим ростом поля может замедлиться, а потом и вообще прекратиться. В результате, разогрев полем носителей тока приводит к отклонениям от закона Ома, причём характер этих отклонений весьма различен для разных П. и даже для одного и того же П. в зависимости от температуры, присутствия каких-либо специфических примесей, наличия магнитного поля и т.п. ( рис. 6 ). П. с нелинейными характеристиками находят широкое применение в различных приборах полупроводниковой электроники.

  Если в некоторой области полей дрейфовая скорость убывает с ростом поля Е,то равномерное распределение тока по образцу при полях, больших некоторого критического, оказывается неустойчивым и вместо него спонтанно возникают движущиеся в направлении тока области (домены), в которых поле во много раз больше, чем в остальной части образца, а концентрация носителей также сильно отличается от её среднего по образцу значения. Прохождение доменов сопровождается сильными периодическими осцилляциями тока. П. в таких условиях является генератором электрических колебаний, иногда весьма высокочастотных (~10 ¹¹ гц) .Это явление, связанное с N-образной характеристикой П. ( рис. 6 , б), называется Ганна эффектом и наблюдается в GaAs n-типа и некоторых соединениях типа A ^IIIB ^V.Оно объясняется тем, что электроны, находившиеся в Г-минимуме зоны проводимости, где их эффективная масса мала, под действием поля набирают энергию, достаточно большую (~0,35 эв) для перехода в D-минимум, где эффективная масса значительно больше, в результате чего их дрейфовая скорость уменьшается.

  В П., обладающих пьезоэлектрическими свойствами ( A ^IIIB ^V, A ^IIB ^VI,Te), где упругие волны в кристаллической решётке сопровождаются возникновением электрического поля, увеличивающим их взаимодействие с носителями, аналогичные нелинейные эффекты возникают также из-за отклонения от равновесного распределения фононов. В этих веществах поток носителей становится интенсивным излучателем упругих волн, когда дрейфовая скорость носителей превышает скорость звука. Электрический потенциал упругой волны достаточно большой амплитуды захватывает носители, т. е. заставляет их собираться в областях минимума этого потенциала, так что они движутся вместе с волной. Если дрейфовая скорость сгустка носителей превышает скорость волны, то волна тормозит их своим полем, отбирая у них энергию, и поэтому усиливается сама. В результате, достигнув скорости звука, дрейфовая скорость перестаёт нарастать с ростом поля, а все дальнейшие затраты энергии внешнего поля идут на усиление упругих волн. В таком режиме пьезополупроводники используются для усиления и генерации ультразвука.

 Отклонения от закона Ома, включая и характеристики, показанные на рис. 6 , могут быть вызваны не только нелинейной зависимостью u _дот Е,но и изменением концентрации носителей под действием электрического поля, например из-за изменения скорости захвата носителей какими-либо примесями в условиях разогрева полем. Самым распространённым механизмом изменения концентрации носителей в сильном поле является ударная ионизация,когда горячие носители, набравшие энергию большую, чем ширина запрещенной зоны П., сталкиваясь с электронами валентной зоны, выбрасывают их в зону проводимости, создавая тем самым новые электронно-дырочные пары.

  В достаточно сильном поле рожденные в результате ударной ионизации неравновесные носители могут за время своей жизни также создать новые пары, и тогда процесс нарастания концентрации носителей принимает лавинообразный характер, т. е. происходит пробой. В отличие от пробоя диэлектриков,пробой П. не сопровождается разрушением кристалла, т.к. пробивные поля для П. с шириной запрещенной зоны D E~ 1-1,5 эвотносительно невелики (Ј 10 ⁵ в/см,а в InSb Ј 250 в/см) .Специфичный для П. пробой, связанный с ударной ионизацией примесей, имеющих малую энергию ионизации, при низких температурах происходит в полях ~1-10 в/см.

 Электрическое поле может и непосредственно переводить валентный электрон в зону проводимости, т. е. рождать электронно-дырочные пары. Этот эффект имеет квантовомеханическую природу и связан с «просачиванием» электрона под действием внешнего поля через запрещенную зону (см. Туннельный эффект ) .Он наблюдается обычно лишь в весьма сильных полях, тем больших, чем шире запрещенная зона. Такие поля, однако, реализуются во многих полупроводниковых приборах; в ряде случаев туннельный эффект определяет характеристики этих приборов (см. Туннельный диод ) .

  Экспериментальные методы исследования полупроводников(наиболее распространённые). Ширина запрещенной зоны D E, так же как и положение более высоких разрешенных зон, могут быть определены из спектров собственного поглощения или отражения света. Оптические методы особенно эффективны в сочетании с воздействиями электрического поля, деформацией кристалла и др. (модуляционные методы). Минимальная ширина запрещенной зоны определяется также и по температурной зависимости собственной проводимости или по положению красной границы собственной фотопроводимости. Наиболее полные и точные сведения об эффективных массах дают исследования циклотронного резонанса и магнитооптических явлений (см. Магнитооптика ) .Для П., в которых эти методы не удаётся использовать, например из-за малой подвижности носителей, оценить массу и плотности состояний можно по величине термоэдс. В некоторых случаях эффективны исследования гальваномагнитных явлений в сильных магнитных полях, особенно в вырожденных П., где наблюдаются различные квантовые осцилляции типа Шубникова - Де Хааза эффекта.Основным методом измерения концентрации носителей и определения их знака в случае примесной проводимости является эффект Холла. Знак носителей может быть установлен и по направлению термоэдс. В сочетании с измерениями проводимости эффект Холла позволяет оценить и подвижность носителей. Положение примесных уровней в запрещенной зоне определяют по красной границе фотопроводимости или чаще по температурной зависимости примесной проводимости. Фотопроводимость, а также инжекция с контактов используются для определения времени жизни и длины диффузии неравновесных носителей.

  Л. В. Келдыш.

  Историческая справка. Хотя П. как особый класс материалов были известны ещё к концу 19 в., только развитие квантовой теории позволило понять особенности диэлектриков, П. и металлов (Уилсон, США, 1931). Задолго до этого были обнаружены такие важные свойства П., как выпрямление тока на контакте металл - П., фотопроводимость и др. и построены первые приборы на их основе. О. В. Лосев доказал возможность использования полупроводниковых контактов для усиления и генерации колебаний - кристаллические детекторы. Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50-х гг. с открытием транзисторного эффекта (Бардин, Браттейн, Шокли, США, 1948) началось широкое использование П. (главным образом Ge и Si) в радиоэлектронике (см. Полупроводниковая электроника ) .Одновременно началось интенсивное изучение физики П., чему способствовали успехи, достигнутые в технологии очистки кристаллов и их легирования. Интерес к оптическим свойствам П. возрос в связи с открытием вынужденного излучения в GaAs (Д. Н. Наследов, А. А. Рогачёв, С. М. Рывкин, Б. В. Царенков, СССР, 1962), что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на р-n-переходе [Холл (США) и Б. М. Вул,А. П. Шотов и др. (СССР)], а затем на гетеропереходах (Ж. И. Алферов и др.).

  Широкие исследования П. в СССР были начаты ещё в конце 20-х гг. под руководством А. Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР. Многие из основных теоретических понятий физики П. впервые сформулировали Я. И. Френкель, И. Е. Тамм, Б. И. Давыдов, Е. Ф. Гросс, В. А. Жузе, В. Е. Лашкарев, В. М. Тучкевич и др. Они же внесли значительный вклад в изучение П. и их техническое применение.

  Лит.:Иоффе А. Ф., Физика полупроводников, М. - Л., 1957; Шокли В., Теория электронных полупроводников, пер. с англ., М., 1953; Смит Р., Полупроводники, пер. с англ., М., 1962; Полупроводники. Сб. ст., под ред. Н. Б. Хеннея, пер. с англ., М., 1962; Ансельм А. И., Введение в теорию полупроводников, М. - Л., 1962; Блатт Ф., Физика электронной проводимости в твердых телах, пер. с англ., М., 1971; Стильбанс Л. С., Физика полупроводников, М., 1967; Пикус Г. Е., Основы теории полупроводниковых приборов, М., 1965; Гутман Ф., Лайонс Л., Органические полупроводники, пер. с англ., М., 1970; Остин И., Илуэлл Д., Магнитные полупроводники, «Успехи физических наук», 1972, т. 106, в. 2; Алексеев А. А., Андреев А, А., Прохоренко В. Я., Электрические свойства жидких металлов и полупроводников, там же, т. 106, в. 3.

Рис. 5. Температурная зависимость концентрации n носителей тока в умеренно легированном (1) и сильно легированном (2) полупроводниках: I - область частичной ионизации примесей; II - область их полной ионизации; III - область собственной проводимости.

Рис. 6. Различные типы нелинейных зависимостей плотности тока j = enn _дот напряжённости электрического поля Е в полупроводниках; а - насыщающаяся; б - N-oбразная; в - S-oбразная.

Рис. 1. Заполнение энергетических зон при абсолютном нуле температуры: а - в диэлектриках; б - в металлах; разрешенные зоны заштрихованы, заполненные зоны или их части заштрихованы дважды.

Рис. 3. Схема энергетических зон Ge; DE - ширина запрещенной зоны, L, Г и D - три минимума зависимости E _(р)в зоне проводимости вдоль осей [100] (D и Г) и [111] (L).

Рис. 4. Электронные переходы, создающие электропроводность в полупроводнике: 1 - ионизация доноров (проводимость n-типа); 2 - захват валентных электронов акцепторами (проводимость р-типа); 3 - рождение электронно-дырочных пар (собственная проводимость); 4 - компенсация примесей.

Рис. 2. Заполнение энергетических зон в полупроводнике; показаны только валентная зона и зона проводимости; чёрные кружочки - электроны в зоне проводимости, белые - дырки в валентной зоне.

Полупроводники аморфные

Полупроводники' амо'рфные, вещества в твёрдом аморфном состоянии, обладающие свойствами полупроводников (см. Аморфное состояние ) .П. а. разделяют на 3 группы: ковалентные (аморфные Ge и Si, InSb, GaAs и др.), халькогенидные стекла (например, As ₃₁Ge ₃₀Se ₂₁Te ₁₈), оксидные стекла (например, V ₂O ₅- P ₂O ₅) и диэлектрические плёнки (SiO _x, Al ₂O ₃, Si ₃N ₄и др.).

  Энергетический спектр П. а. отличается от кристаллического П. наличием «хвостов» плотности электронных состояний, проникающих в запрещенную зону. По одной из теорий, П. а. следует рассматривать как сильно легированный и сильно компенсированный полупроводник, у которого «дно» зоны проводимости и «потолок» валентной зоны флуктуируют, причём это - крупномасштабные флуктуации порядка ширины запрещенной зоны. Электроны в зоне проводимости (и дырки в валентной зоне) разбиваются на систему «капель», расположенных в ямах потенциального рельефа и разделённых высокими барьерами. Электропроводность в П. а. при очень низких температурах осуществляется посредством подбарьерного туннелирования электронов между ямами аналогично прыжковой проводимости. При более высоких температурах электропроводность обусловлена тепловым «забросом» носителей на высокие энергетические уровни.

  П. а. имеют различные практического применения. Халькогенидные стекла благодаря прозрачности для инфракрасного излучения, высокому сопротивлению и высокой фоточувствительности применяются в передающих телевизионных трубках, а также для записи голограмм (см. Голография ) .Диэлектрические плёнки применяются также в структурах МДП (металл - диэлектрик - полупроводник).

  В системах металл - плёнка П. а. - металл при достаточно высоком напряжении (выше порогового) возможен быстрый (~10 ^-10сек) переход (переключение) П. а. из высокоомного состояния в низкоомное. В частности, существует переключение с «памятью», когда высокопроводящее состояние сохраняется и после снятия напряжения (память «стирается» обычно сильным и коротким импульсом тока). Низкоомное состояние в системах с памятью связано с частичной кристаллизацией П. а.

  Лит.:Мотт Н., Дэвис Э., Электронные процессы в некристаллических веществах, пер. с англ., М., 1974.

  В. М. Любин, В. Б. Сандомирский.

Полупроводники органические

Полупроводники' органи'ческие, твёрдые органические вещества, которые имеют (или приобретают под влиянием внешних воздействий) электронную или дырочную проводимости (см. Полупроводники ) .П. о. характеризуются наличием в молекулах системы сопряжения (см. Валентность ) .Носители тока в П. о. образуются в результате возбуждения p-электронов, делокализованных по системе сопряжённых связей. Энергия активации, необходимая для образования носителей тока в П. о., снижается по мере увеличения числа сопряжений в молекуле и в полимерах может быть порядка тепловой энергии.

  К П. о. относятся органические красители (например, метиленовый голубой, фталоцианины), ароматические соединения (нафталин, антрацен, виолантрен и др.), полимеры с сопряжёнными связями, некоторые природные пигменты ( хлорофилл,b-каротин и др.), молекулярные комплексы с переносом заряда, а также ион-радикальные соли. П. о. существуют в виде монокристаллов, поликристаллических или аморфных порошков и плёнок. Величины удельного сопротивления r при комнатной температуре у П. о. лежат в диапазоне от 10 ¹⁸ омЧ см(нафталин, антрацен) до 10 ^-2 омЧ см(ион-радикальные соли, см. рис. ). Наиболее проводящими П. о. являются ион-радикальные соли, на основе анион-радикала тетрацианхинодиметана. Они обнаруживают электропроводность металлического характера. У П. о. с низкой электропроводностью наблюдается явление фотопроводимости.

 П. о. обладают особенностями, которые определяются молекулярным характером их структуры и слабым межмолекулярным взаимодействием: 1) поглощение света вызывает возбуждение молекул, которое может мигрировать по кристаллу в виде экситонов;2) образование носителей тока под действием света связано с распадом экситонов на поверхности кристалла, дефектах его структуры, примесях, при взаимодействии экситонов друг с другом, а также с автоионизацией высоковозбуждённых молекул; 3) зоны проводимости узки (~0,1 эв) ,подвижность носителей тока, как правило, мала (~1 см ²/вЧ сек) ;4) наряду с зонным механизмом электропроводности осуществляется прыжковый механизм. В кристаллах ион-радикальных солей межмолекулярное взаимодействие сильно анизотропно, что приводит к высокой анизотропии оптических и электрических свойств и позволяет рассматривать этот класс П. о. как квазиодномерные системы.

  П. о. находят применение в качестве светочувствительных материалов (например, для процессов записи информации), в микроэлектронике,для изготовления различного рода датчиков. Исследование П. о. важно для понимания процессов преобразования и переноса энергии в сложных физико-химических системах и в особенности в биологических тканях. С П. о., в частности с ион-радикальными солями, связана перспектива создания сверхпроводников с высокой критической температурой.

  Лит.:Органические полупроводники, 2 изд., М., 1968; Богуславский Л. И., Ванников А. В., Органические полупроводники и биополимеры, М., 1968; Гутман Ф., Лайонс Л., Органические полупроводники, пер. с англ., М., 1970.

  Л. Д. Розенштейн, Е. Л. Франкевич

Удельное электросопротивление r и энергия активации U _Аэлектропроводности органических и неорганических полупроводников.

Полупроводниковая электроника

Полупроводнико'вая электро'ника,отрасль электроники,занимающаяся исследованием электронных процессов в полупроводниках и их использованием - главным образом в целях преобразования и передачи информации. Именно с успехами П. э. связаны, в основном, высокие темпы развития электроники в 50-70-х гг. 20 в. и её проникновение в автоматику, связь, вычислительную технику, системы управления, астрономию, физику, медицину, в исследования космич. пространства, в быт и т.д.

  Краткая историческая справка.Основные вехи развития П. э. - открытие фотоэффекта в селене (У. Смит, США, 1873), открытие односторонней проводимости контакта металла с полупроводником (К. Ф. Браун,1874), использование кристаллических полупроводников, например галенита (PbS), в качестве детекторов для демодуляции радиотелеграфных и радиотелефонных сигналов (1900-05), создание меднозакисных (купроксных) и селеновых выпрямителей тока и фотоэлементов (1920-26), использование кристаллических детекторов для усиления и генерирования колебаний (О. В. Лосев,1922), изобретение транзистора (У. Шокли,У. Браттейн,Дж. Бардин,1948), создание планарной технологии (1959), появление интегральной электроники и переход к микроминиатюризации электронного оборудования (1959-61). Большой вклад в создание П. э. внесли советские учёные - физики и инженеры (А. Ф. Иоффе,Н. П. Сажин,Я. И. Френкель,Б. М. Вул,В. М. Тучкевич,Г. Б. Абдулаев, Ж. И. Алферов, К. А. Валиев, Ю. П. Докучаев, Л. В. Келдыш,С. Г. Калашников, В. Г. Колесников, А. В. Красилов, В. Е, Лашкарёв, Я. А. Федотов и многие др.).

  Физические основы П. э.Развитие П. э. стало возможным благодаря фундаментальным научным достижениям в области квантовой механики,физики твёрдого тела и физики полупроводников.

 В основе работы полупроводниковых (ПП) электронных приборов и устройств лежат следующие важнейшие свойства полупроводников и электронные процессы в них: одновременное существование носителей заряда двух знаков (отрицательных - электронов проводимости и положительных - дырок); сильная зависимость величины и типа электропроводности от концентрации и типа примесных атомов; высокая чувствительность к воздействию света и тепла, чувствительность к действию магнитного поля и механических напряжений; эффект односторонней проводимости при протекании тока через запирающий слой электронно-дырочного перехода ( р-n-перехода) или Шотки барьера, нелинейность вольтамперных характеристик таких слоев, введение (инжекция) неосновных носителей, нелинейная ёмкость р-n-перехода; туннельный переход носителей сквозь потенциальный барьер (см. Туннельный эффект ) ;лавинное размножение носителей в сильных электрических полях; переход носителей из одного минимума энергетической зоны в другой с изменением их эффективной массы и подвижности и др.

  Один из эффектов, наиболее широко используемых в П. э., - возникновение р-n-перехода на границе областей полупроводника с различными типами проводимости (электронной - в n-области, дырочной - в р-области); его основные свойства - сильная зависимость тока от полярности напряжения, приложенного к переходу (ток в одном направлении может в 10