Полупроводники в сильных электрических полях

Влияние электрического поля. При отсутствии внешнего элект­рического поля, равновесные носители заряда, имеющиеся в полупроводнике при данной темпера­туре, движутся хаотически в разных направлениях. Поэтому средняя скорость их движения равна нулю. Если приложить внешнее электрическое поле с напряженностью Е, то на хаотическое тепловое движение носителей заряда накладыва­ется направленное движение, т. е. в полупроводнике возникает электрический ток. Согласно закону Ома плотность тока J=yE.

Если проводимость g постоянна, то с возрастанием напряжен­ности поля плотность тока будет линейно возрастать. Именно так и обстоит дело в полупроводнике, но лишь до тех пор, пока напряженность поля не превысит некоторого критиче­ского значения Е_кр (рис. 4.8). При дальнейшем увеличении напряженно­сти проводимость полупроводника на­чинает возрастать. Следовательно, со­гласно (4.2) должны возрастать кон­центрация или подвижность носителей заряда. Рассмотрим причины измене­ния концентрации носителей заряда.

Свободный электрон, пройдя в полупроводнике под действием электриче­ского поля расстояние l, увеличивает свою энергию на величину еlЕ. При Е>Е_кр этой энергии оказывается до­статочно для того, чтобы столкновение электрона с атомами привело к ионизации последних, причем сам электрон остался бы в зоне проводимости. Появившиеся в резуль­тате ионизации дополнительные носители заряда, в свою очередь, ускоряются полем и генерируют новые свободные носители. Этот процесс называют ударной ионизацией полупроводника. При возрастании Е до некоторой величины Е_кр процесс возра­стания концентрации носителей заряда будет частично компенси­роваться обратным процессом рекомбинации. При Е>Е_кр реком­бинация уже не может компенсировать генерацию электронно-дырочных пар, концентрация носителей заряда и плотность тока возрастают лавинообразно, вы­деляется большое количество тепла и происходит пробой, т. е. не­обратимое разрушение полупроводника.

Значение составляет Е_кр≈10⁷ В/м. Такое значение напряжен­ности поля может возникнуть даже при небольших напряжениях в тонких слоях полупроводника. При производстве полупроводнико­вых приборов это приводит к ограничению минимальной толщины полупроводниковых слоев, заставляет увеличивать удельное сопро­тивление полупроводниковых материалов.

Влияние сильного электрического поля на подвижность носителей заряда. В сильных электрических полях скорость дрейфа носителей заряда соизмерима с тепловой скоростью; носители заряда по длине свободного пробега приобретают в электрическом поле энергии, соответствующие кинетическим энергиям теплового хаотического движения. При этом распределение носителей заряда по энергетическим уровням соответствует большим температурам, чем температура кристаллической решетки, которая остается практически неизменной. Это явление называют «разогревом» носителей. На подвижность носителей явление разогрева может влиять по-разному.

1. При относительно больших температурах, при которых величина подвижности носителей заряда определяется в основном процессом рассеяния на тепловых колебаниях атомов кристаллической решетки полупроводника, «разогрев» носителей заряда электрическим полем приводит к увеличению числа столкновений носителей с атомами кристаллической решетки, т.е. к уменьшению подвижности при увеличении напряженности электрического поля. Возможность некоторого уменьшения подвижности носителей заряда в сильных электрических полях (эффект Ганна) приводит к появлению на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением, что позволяет созда­вать сверхвысокочастотные полупроводниковые генераторы с рабочей частотой до 100 ГГц. Для этих целей используют арсенид галлия GaAs, имеющий необ­ходимую структуру энергетических зон.

2. При относительно малых температурах, при которых величина подвижности носителей заряда определяется в основном процессом рассеяния на ионизированных примесях, «разогрев» носителей электрическим полем приводит к уменьшению времени нахождения носителя в поле ионизированной примеси, и, соответственно, к увеличению подвижности. Следовательно, увеличение подвижности с увеличением напряженности электрического поля в полупроводниковых приборах может происходить только при очень низких температурах.

Туннельный эффект. Сильные электрические поля в полупроводниках могут приводить к возникновению туннельного эффекта. Его называют иногда внутренней холодной эмиссией. Это явление до некоторой степени аналогично холодной эмиссии из металлов. Сущность его состоит в том, что достаточно сильные электрические поля могут вызывать прямые электронные переходы между зоной проводимости и валентной зоной. Для этого требуются поля более 10⁷ В/м. Условия для развития механизмов увеличения числа носителей заряда чаще всего создаются в тонких слоях полупроводников с повышенным сопротивлением.

Из выше сказанного ясно, что зависимость проводимости полупроводников вследствие влияния напряженности электрического поля, как на подвижность, так и на концентрацию носителей заряда в области сильных полей может быть сложной.

4.2 Собственные полупроводники