уменьшается, а неосновных (дырок) - увеличивается.

Рассмотренные случаи контактов металла с полупроводником характеризуются уменьшением концентрации основных носителей заряда в граничном слое полупроводника по сравнению с концентрацией их в объеме вдали от границы контакта и, следовательно, увеличением удельного сопротивления граничного слоя.

Метал/7 Полдтровоёнак - -] р-тит

Металл Полупроводник I- - п-типа

Запрещенная зона

Рис. 3-9. Зонные диаграммы иевыпрямляющих контактов металла с полупроводником.

с - контакт с полупроводником р-типа; б - контакт с полупроводником п-типа.

В зависимости от приложенного внешнего напряжения и его полярности изменяется напряженность электрического поля в приповерхностном слое и соответственно изменяется сопротивление граничного слоя. Таким образом, контакты металла с полупроводником, показанные на рис. 3-8, обладают вентильными свойствами. На нх основе созданы диоды Шоттки.

На рис. 3-9 показаны диаграммы энергетических зон для иевыпрямляющих контактов металла с полупроводниками р- и -типов, для которых выполняются соотношения ф <фгр (рнс. 3-9, ) и (fFM>(fFn

(рис. 3-9,6). В этих случаях искривления зон в полупроводниках получаются обратными по сравнению с теми, что показаны на рис. 3-8, а и б, при этом граничные слои полупроводника обогащаются основными носителями заряда и сопротивление граничного слоя уменьшается по сравнению с нейтральными слоями. Суммарное сопротивление системы будет близко к сопротивлению нейтрального слоя полупроводника

и не будет зависеть от внешнего напряжения и его полярности. Такие невыпрямляю-щие переходы являются основой омических контактов.

Электронно-дырочиый переход

На рис. 3-10 показана структура контакта двух полупроводников. Концентрация электронов Пп в полупроводнике -типа много больше концентрации электронов Пр в полупроводнике р-типа, а концентрация дырок Pj, в полупроводнике р-типа много больше концентрации дырок рп в полупроводнике и-типа. Наличие градиента концентраций на границе двух полупроводников создает диффузию электронов йз слоя и в слой р, а дырок из слоя р в слой п. Диффузия основных носителей приводит к тому, что в приконтактной зоне полупроводника -типа образуется нескомпен-сированный положительный заряд ионов донорной примеси, а в полупроводнике р-типа - нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси.

Таким образом, в приконтактной зоне полупроводников различного типа образуется двойной электрический слой, который имеет малую концентрацию подвижных носителей заряда и обладает поэтому большим сопротивлением. График распределения плотности пространственного заряда в идеализированном виде приведен на рис. 3-10, г. На внешней границе и в глубине полупроводников заряд равен нулю, а в приконтактных зонах полупроводников п-и р-типа определяется соответственно концентрация атомов донорной Л/д и акцепторной Л/а примесей.

Двойной электрический слой, образующийся на границе электронного и дырочного полупроводников в результате диффузии основных носителей, называется электронно-дырочным переходом (р-п переходом).

Протяженность двойного электрического слоя характеризуется толщиной р-п перехода Dd (рис. 3-10,5).

В зоне р-п.перехода существует электрическое поле, напряженность которого направлена от полупроводника и-типа к полупроводнику р-ткпа. Это поле препятствует процессу диффузии основных носителей и вызывает дрейф неосновных носителей. На рис. 3-10,5 приведены графики потенциальных энергий дырок и электронов. В глубине дырочного полупроводника потенциальная энергия дырок Wp равна некоторому постоянному значению, а при приближении к зоне р-п перехода энергия Wp начинает расти за счет потенциальной энергии электрического поля р-п перехода. В глубине слоя п-типа потенциальная энергия дырок максимальна и превосходит эту энергию в полупроводнике р-типа на ефк, обусловленную потенциальной энергией двойного электрического слоя. Для того чтобы дырки могли перейти из слоя р-типа в слой п-типа, они должны обладать энергией, достаточной для преодоления потен-

999999999999

циального барьера, высота которого AWp = =ефк. Величина фк называется контактной разностью потенциалов.

Потенциальная энергия электронов в слое п-типа равна некоторому постоянному значению, а при приближении к р-п переходу начинает расти. В полупроводнике р-типа эта энергия максимальна и превосходит энергию электронов области полу-

©©©©©© © © © © © ©

© © © © © © © ©~© © ©

r-l-n

© © © © © © © © © © © © © © © © © ©© © ©

1,7Ю

Рис. 3-10. Структура электронно-дырочного перехода в состоянии термодинамического равновесия. а - распределение носителей заряда в полупроводниках р- и п-типов до образования контакта; 6 - то же в условиях контакта, но при отсутствии внешнего поля; в - распределение концентраций акцепторной и донорной примеси, а также концентраций основных и неосновных носителей заряда; г - распределение плогности пространственного заряда; д - изменение потенциальных энергий электронов W и дырок Wp, е - распределение концентраций основных и неосновных носителей заряда.

проводника п-типа на ефк. Для перехода электронов из полупроводника га-типа в полупроводник р-типа необходимо преодолеть потенциальный барьер, высота которого Дйm=eф,t обусловлена потенциальной энергией поля. При переходе неосновных носителей (дырок в слое п-типа и электронов в слое р-типа) из одной области в другую происходит не преодоление потенциального барьера, а как бы скатывание с него.

Гальваномагнитные явления

Гальваномагнитными называют явления, возникающие под действием магнитного поля в проводниках и полупроводниках с электрическим током. Техническое применение получили три гальвааомагнитных явления: эффект Холла, магниторезистив-ный и магнитодиодный эффекты. Первые два обусловлены действием магнитного поля на равновесные носители заряда, а последний - на неравновесные носители заряда (в полупроводнике).

Эффект Холла проявляется в возникновении электрического поля с напряженностью E=RJXB, перпендикулярной вектором магнитной индукции В и плотности тока J. Коэффициент (или постоянная) Холла R может быть положительным и отрицательным и даже изменять знак с изменением температуры. Эффект Холла является следствием того, что на заряженную частицу (электрон и дырку), перемещающуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, пропорциональная векторному произведению скорости частицы на магнитную индукцию. Под влиянием этой силы движущиеся в направлении электрического поля, созданного в образце внешними источниками тока, носители заряда отклоняются в поперечном направлении.

В ферромагнетиках на электроны кроме внешнего поля с напряженностью И действует поле доменов, определяющее намагниченность М образца. При этом наблюдается особый, ферромагнитный эффект Холла. Экспериментально найдено, что напряженность поперечного электрического поля (в направлении оси у)

E = (RH + RM)J,

где / - плотность тока (в направлении оси х); Rd - обыкновенный коэффициент Холла; Rs - так называемый спонтанный, или ферромагнитный, коэффициент Холла. С повышением температуры коэффициент Rs возрастает, достигая максимума в точке Кюрн, а затем снижается. Для большинства неферромагнитных металлов коэффициенты Холла почти не зависят от температуры.

Гальваномагнитные эффекты очень чувствительны ко всякого рода примесям и неоднородностям. Поэтому приведенные в табл. 3-1 значения коэффициента Холла иа-

Таблица 3-1

Коэффициенты Холла для металлов (вблизи комнатной температуры)

ДО рассматривать лишь как наиболее вероятные.

В полупроводниках дрейфующие в электрическом поле электроны и дырки отклоняются магнитным полем к одной и той же грани образца. У этой грани происходит их накопление до тех пор, пока созданное ими поле Холла и возникающий градиент концентрации носителей заряда не скомпенсируют силу Лоренца.

В полупроводнике с одним типом электропроводности сила Лоренца полностью компенсируется полем Холла. В итоге на боковых гранях образца возникает разность потенциалов, а носители заряда, движущиеся со средней скоростью дрейфа, ие отклоняются от направления внешнего электрического поля. В полупроводнике с двумя типами носителей заряда поле Холла меньше и компенсирует силу Лоренца для каждого из типов носителей заряда не полностью. Поэтому их движение несколько отклоняется от направления внешнего электрического поля.

Помимо коэффициента Холла для характеристики этого эффект используются холловская подвижность Цн=1о и угол Холла , на который отклонились бы носители в данном магнитном поле при отсутствии поля Холла: d-iiB (ц - обычная подвижность носителя заряда и о - удельная электрическая проводимость).

Магниторезистивный эффект, называемый также эффектом Гаусса, заключается в изменении электрического сопротивления под воздействием магнитного поля. Он обусловлен уменьшением пути, проходимого носителями заряда между актами рассеяния при наличии магнитного поля и поперечной составляющей силы Лоренца. Дело в том, что даже при наличии поля Холла и в примесном полупроводнике вследствие теплового движения всегда есть носители заряда, движущиеся со скоростями, как большими, так и меньшими средней скорости дрейфа во внешнем электрическом поле. Таким образом, направление движения практически всех носителей заряда в магнитном поле не совпадает с направлением внешнего электрического поля. Магниторезистивный эффект считается положительным, если при появлении магнитного поля сопротивление возрастает. Отрицательный эффект (уменьшение сопротивления) обычно наблюдается при низких температурах и

пока не используется для создания гальваномагнитных приборов. У большинства полупроводников и металлов (за исмючени-ем ферромагнитных) сопротивление с ростом напряженности магнитного поля возрастает.

При обычно используемых магнитных индукциях B<g:10 Тл и комнатной температуре магиитосопротивление Др/ро (Др- изменение сопротивления в магнитном поле, Рс-сопротивление при В=0) для большинства металлов весьма мало. Например, для меди Др/ро=10- при В=2 Тл. Исключением является висмут, у которого Др/рс~2 при Б=3,1 Тл. В полупроводниках этот эффект значительно больше, чем в металлах. Например, в германии при 100 К и В=2 Тл Др/рс 3.

Зависимость магнитосопротивления от магнитной индукции в полупроводниках близка к квадратичной. Это сопротивленце тем больше, чем больше подвижность носителей заряда;

Ро 1*0

где А - коэффициент.

Магниторезистивный эффект зависит от угла между направлениями магнитной индукции и плотности тока. Максимум наблюдается, когда эти направления перпендикулярны, а минимум - при совпадении этих направлений.

Маенитодиодным эффектом называется явление резкого возрастания сопротивления диода в прямом направлении под воздействием поперечного магнитного поля.

Наиболее отчетливо этот эффект проявляется при несимметричном р-п переходе и удлиненной базе, т. е. когда концентрация равновесных носителей заряда, например, в р-области много больше, чем в п-области, н расстояние между р-п переходом и вторым контактом значительно превышает длину диффузионного смещения. Тогда прямой ток очень сильно зависит от отношения толщины базовой области d к длине диффузионного смещения L и практически вес напряжение при прямом смещении приходится на базу; напряжение иа Р-п переходе составляет малую его долю.

Резкое возрастание сопротивления такого диода после появления поперечного магнитного поля обусловлено совместным действием трех явлений. Во-первых, уменьшается подвижность носителей заряда, влияние магнитного поля особенно значительно на неосновные носители заряда, благодаря тому, что поле Холла, созданное ос-иоЕными носителями, усиливает искривление траектории дрейфа неосновных носителей Заряда. Во-вторых, уменьшается их диффузионная длина (средний путь диффундирующего носителя за среднее время жизни). В-третьих, уменьшается ннжекция дырок из р-п перехода вследствие увеличения сопротивления базы и дальнейшего уменьшения напряжения на р-п переходе.