Файл: Комов, А. Н. Физические основы микроэлектроники учеб. пособие.pdf

Температурная зависимость электропроводности полупроводни­ ков, которая выражена значительно сильнее, чем у металла, нашла применение в изготовлении термосопротивлений или термисторов, получивших широкое применение в приборах для измерения и р.егу-

*

ния мощности ультракоротких волн, в вакуумметрах, в болометрах и т. д.

§5. Эффект Ганна

Одним из существенных открытий в последние годы в полупро­ водниковой электронике является открытие возникновения электри­

ные диоды, у которых используется только узкий слой полупровод-

98

ника, что усложняет проблему рассеяния тепла, а тем самым увели­ чение полезной мощности.

В основе действия диодов Ганна лежит убывание объемной про­ водимости полупроводника с ростом напряженности электрического поля, то есть наличие на вольтамперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Если в некоторой области токов (или электрических полей) па вольтамперной характеристике имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, то состояние с равномерным распределением тока (или поля) можетоказаться неустойчивым. При этом вольтамперная характеристика имеет 5-образную форму, т. е. одному значению напряжения соответствуют несколько значений тока, и в системе появляются условия для образования шнуров-ка­ налов с повышенной плотностью тока. Если же характеристика N- образной формы (одному значению тока соответствуют несколько значений напряжения), то возникает тенденция к образованию до­ менов, то есть расслоению электрически однородного при малых полях образца на области с разным удельным сопротивлением и, следовательно, к образованию областей с существенно разной на­ пряженностью электрического поля. Домены и шнуры могут возни­ кать и исчезать, перемещаться по кристаллу или же колебаться около некоторого положения равновесия в зависимости от целого ряда внешних и внутренних факторов. Все это приводит к измене­ нию сопротивления кристалла между контактами и появлению электрических колебаний, В настоящее время показано, что тако­ го рода явления позволяют создавать твердотельные генераторы довольно большой мощности и с широким диапазоном частот. Рас­ смотрим один из методов создания отрицательного сопротивления в полупроводниковых кристаллах. Для этого воспользуемся неко­ торыми особенностями структуры энергетических зон, приводящи­ ми к возникновению отрицательной эффективной массы.

Зона проводимости и валентная зона в полупроводниках состо­ ят из некоторого числа подзон, причем для обычной проводимости существенны только подзоны с наименьшей энергией носителей.

Расстояние между ними может составлять значительную долю электроновольта.

Например, в германии зона проводимости имеет четыре семей­ ства эллипсоидальных поверхностей постоянной энергии в направ­ лении (111) в k — пространстве, тогда как валентная зона дважды вырождена при k = 0, причем эти две вырожденные зоны дают лег­ кие и тяжелые дырки.

Путем деформации кристаллов можно разделить семейство подзон. Так, при деформации кристалла Ge в зоне проводимости эти две долины снижаются и две поднимаются, а в ва­ лентной зоне вырождение снимается и появляются две подзоны, раз­ деленные по энергии. Тогда носители заряда в подзонах будут иметь разную эффективную массу соответственно кривизне зон и направлению приложенного электрического поля. Средняя эффек­

7* 99

тивная масса, а, -следовательно, и проводимость кристалла будут зависеть от относительных заселенностей каждой подзоны, которые являются функциями температуры носителей. Внешнее электриче­ ское поле может повлиять на заселенность подзон, что при опреде­ ленных условиях приведет к получению отрицательного сопротив­ ления в полупроводниковом кристалле.

электрон, энергия которого (отсчитываемая от дна зоны проводи­ мости) будет превышать 6Е, очевидно, перейдет в минимум р, где ^его подвижность будет низкой. Таким образом, при увеличении по­ ля проводимость кристалла будет уменьшаться. Это указывает на возможность отрицательного сопротивления. Пусть в области L электроны характеризуются эффективной массой т*, подвиж­ ностью ип и концентрацией п, а плотность состояний равна Nc. Со­

100

Для полупроводникового кристалла с площадью поперечного се­

Выражения (VI—17) и (VI—18) определяют распределение концентрации электронов в равновесном состоянии. Чтобы вычис-

лить величину dn сделаем некоторые предположения относитель­

но распределения между минимумами р и L при значительном от­ клонении от теплового равновесия. Предположим, что

1)распределение электронов по энергиям характеризуется элек­ тронной температурой Т, которая может быть в несколько раз больше То;

2)распределение электронов между минимумами р и L описы­ вается теми же формулами, что и для теплового равновесия

(VI—17), (VI—18), заменив Т0 на Т.

Из уравнений (VI—21 и VI—23) можно определить -^ r, пред-

101