Основные эффекты в полупроводниках и их применение.

Электронно-дырочный p - n - переход. Выпрямительными свойствами обладает лишь p - n - переход и контакт полупроводника с другими материалами. p - n - переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. На рис. 8 показан нерезкий p - n - переход для разомкнутой цепи.

рис. 8

В цепи с переменным электрическим полем p - n - переход работает как выпрямитель. На рис. 9 показана вольт-амперная характеристика p - n - перехода, которая описывается выражением

I = I_s (e ^qU/kT -1) (13)

где I_s - ток насыщения (при обратном включении p - n - перехода этот ток равен обратному току); U - приложенное напряжение; q/(kT) = 40 B^-1 при комнатной температуре.

рис. 9

Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС Холла на гранях полупроводникового бруска с током, помещенного в магнитное поле. Величина ЭДС Холла определяется векторным произведением тока I и магнитной индукции В. На рис. 10 изображен случай дырочного полупроводника.

рис. 10

Знак ЭДС Холла легко определить по правилу левой руки. Отогнув в сторону большой палец, найдем направление смещения основных носителей для данного типа полупроводника. Рассчитывается ЭДС Холла так

U_x = R_x J B/b (14)

где R_x - постоянная Холла (R_x = -A/(nq) для n - полупроводника, R_x = -B/(pq) - для р - полупроводника, n и p - концентрации электронов и дырок); А и В - коэффициенты, значения которых от 0, 5 до 2, 0 для различных образцов. В сильных полях или для вырожденных полупроводников A = B =1, 0. Для монокристаллических образцов с совершенной структурой A=B · 3π /8.

Наиболее часто датчики Холла изготовляют на основе селенида и теллурида ртути (HgSe, HgTe), антимонида индия (InSb) и других полупроводниковых материалов в виде тонких пленок или пластинок. С их помощью возможно измерение магнитной индукции или напряженности магнитного поля, силы тока и мощности, а при подведении к контактам переменных напряжений - и преобразование сигналов. По ЭДС Холла можно определить знак носителей заряда, рассчитать их концентрацию и подвижность.

Эффект Ганна - относится к эффектам сильного поля и заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник электрического поля высокой напряженности. Впервые этот эффект наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InP. На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие в диапазоне частит до сотен гигагерц.

Фотоэлектрический эффект. При облучении полупроводников светом в них можно возбудить проводимость. Фототок с энергией hv = или > ширины запрещенной зоны Δ W₀ переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся при этом пара электрон - дырка является свободной и участвует в создании проводимости. На рис.11 показана схема образования фотоносителей в собственном донорном и акцепторном полупроводниках.

рис. 11

Таким образом, если hv = > Δ W₀ - для собственных полупроводников, hv = > Δ W _п - для примесных полупроводников, то появляются добавочные носители тока и проводимость. повышается. Это добавочная проводимость называется фотопроводимостью. Основная проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей тока называется тепловой проводимостью. Из приведенных формул можно определить минимальную частоту ν ₀ или максимальную длину волны λ ₀, при которой свет возбуждает фотопроводимость

λ ₀ = ch/Δ W₀ и λ ₀ = ch/Δ W _п.

Наиболее чувствительные фотосопротивления изготовляются из сернистого кадмия (CdS) и сернистого свинца (PbS). Используются и другие полупроводниковые материалы. Единственным материалом для интегральных датчиков является кремний.

Оптоэлектронные устройства: светодиоды, лазеры, фотодетекторы (датчики), солнечные батареи, фильтры.

ТермоЭДС в полупроводниках, как и в металлах возникает под действием разности температуры. Основой преобразователей тепловой энергии в электрическую являются термоэлементы, составленные из последовательно включенных полупроводников p- и n- типов. Большая термоЭДС полупроводников позволяет использовать их в качестве эффективных преобразователей тепловой энергии в электрическую.