Šiuolaikinės puslaidininkių elektronikos vystymasis didele dalimi yra sąlygojamas fundamentaliųjų tyrimų puslaidininkių fizikos srityje. Elektrinis laidumas yra svarbus medžiagų elektrines savybes nusakantis dydis.
Šiame straipsnyje aptarsime puslaidininkių elektrinio laidumo priklausomybę nuo elektrinio lauko stiprio, temperatūros ir priemaišų. Taip pat apžvelgsime pagrindines sąvokas ir reiškinius, susijusius su šia tema.
Kas yra puslaidininkis? | Juostos tarpas, legiravimas ir kaip veikia puslaidininkiai
Puslaidininkiai ir Jų Savybės
Laidumu pasižymi ir medžiagos, vadinamos puslaidininkiais. Tai cheminiai elementai Si (silicis), Ge (germanis), Se (selenas) ir junginiai Cu2O (vario (I) oksidas), PbS (švino sulfidas) bei daugelis kitų kristalų. Žemose temperatūrose puslaidininkių krūvininkų tankis mažas, todėl mažas ir elektrinis laidumas.
Tačiau šildomų arba kitaip veikiamų, pavyzdžiui, švitinamų, puslaidininkių krūvininkų tankis, kartu ir elektrinis laidumas didėja. Štai gryno Si kristalo laisvųjų elektronų tankis kambario temperatūroje yra 1017 m-3, o 700°C temperatūroje jis jau 1023 m-3; savitoji Si varža dėl to sumažėja daugiau kaip milijoną kartų.
Puslaidininkio laidumas keičiasi į jį įterpus priemaišų, t.y. kito cheminio elemento atomų, nes atsiranda papildomų krūvininkų. Jei priemaišų valentingumas vienetu didesnis už puslaidininkio atomų valentingumą, taigi iš priemaišų atsirandantys krūvininkai yra elektronai.
Taip pat skaitykite: Kaip temperatūra veikia puslaidininkių varžą?
Jei priemaišų valentingumas yra mažesnis už puslaidininkio atomų, tada kovalentinių jungčių sudarymui su puslaidininkio atomu trūksta vieno valentinio elektrono. Šiuo atveju dėl priemaišų papildomai atsiradę krūvininkai yra skylės.
Priemaišiniai puslaidininkiai pasižymi ir savuoju laidumu, todėl vienu metu juose yra abiejų tipų krūvininkų elektronų ir skylių. Priklausomai nuo puslaidininkio tipo vienų krūvininkų jame yra daug daugiau negu kitų, t.y. n puslaidininkyje yra daug didesnis elektronų tankis, o p puslaidininkyje didesnis skylių tankis.
Krūvininkai, kurių tankis yra daug didesnis negu kito tipo krūvininkų, vadinami pagrindiniais, o likusieji šalutiniais.
Elektrinio Lauko Įtaka Krūvininkų Judėjimui
Nagrinėkime kietojo kūno bandinį, kuriame yra laisvųjų elektronų. Kai išorinis elektrinis laukas neveikia, laisvieji elektronai juda chaotiškai dėl susidūrimų su kietojo kūno gardele. Sukūrus kietajame kūne elektrinį lauką, be chaotiškojo elektronų judėjimo, vyksta jų kryptingas slinkimas priešinga elektriniam laukui kryptimi. Toks slinkimas vadinamas dreifu.
Veikiant jėgai, elektrono greitis turėtų nuolat didėti. Tačiau kietajame kūne elektronui judėti trukdo gardelė. Susidurdamas su gardele elektronas praranda kryptingo judėjimo greitį. Iš šios lygties matyti, kad, pradėjus veikti elektriniam laukui, laisvųjų kietojo kūno elektronų greitis didėja. Kartu didėja ir pasipriešinimo jėga. Jai didėjant, mažėja elektronų pagreitis. Kai jėgos ir susilygina, pagreitis sumažėja iki nulio.
Taip pat skaitykite: Varžos priklausomybė nuo temperatūros puslaidininkiuose
vadinamas elektronų judrumu. Verta pastebėti, kad, jeigu nebūtų pasipriešinimo jėgos, tai, veikiant elektriniam laukui, elektronų pagreitis nekistų, jų kryptingo judėjimo greitis nuolat didėtų.
Dabar mintyse sudarykime kietajame kūne stačiakampį gretasienį, kurio pagrindas statmenas elektrinio lauko krypčiai. Stačiakampio gretasienio pagrindo plotas lygus vienetui, aukštinė yra. Tada stačiakampio gretasienio tūris. Jame yra elektronų. Visi šie elektronai per laiko vienetą pereina per stačiakampio gretasienio pagrindą.
Pagal šią formulę srovės tankis kietajame kūne yra tiesiai proporcingas elektrinio lauko stipriui. Formulė išreiškia Omo dėsnį.
Puslaidininkių elektrinį laidumą lemia elektronai ir skylės. Dabar tarkime, kad ilgą laiką veikęs elektrinis laukas laiko momentu 0 išjungiamas. Tada dėl susidūrimų su gardele elektronų kryptingo slinkimo greitis pradeda mažėti - atsistato elektrinio lauko sutrikdyta elektronų sistemos pusiausvyra.
Pagal (3.11), išjungus elektrinį lauką, elektronų dreifo greitis mažėja eksponentiniu dėsniu. Per laiką jis sumažėja e kartų. Relaksacijos trukmę galima susieti su krūvininko vidutiniu laisvuoju keliu. elektronas kryptingo judėjimo greitį praranda po vieno susidūrimo su gardele, elektrono laisvasis kelias išreiškiamas formule; čia - vidutinis elektrono greitis. Dažnai elektronas kryptingo judėjimo greitį praranda tik po susidūrimų su gardele.
Taip pat skaitykite: Koncentracijos įtaka laidumui
Elektrono greitis susideda iš dviejų dedamųjų - šiluminio judėjimo greičio ir dreifo elektriniame lauke greičio. Dažniausiai šiluminio judėjimo greitis būna daug didesnis už dreifo greitį.
Iš šios formulės matyti, kad krūvininkų judrumas yra ribotas dėl baigtinio laisvojo kelio. Nagrinėdami krūvininkų sklaidą kristale, turime prisiminti jų, kaip mikrodalelių, dvilypumą ir bangines savybes.
Bangos neatsispindi nuo periodinių netolygumų, tarp kurių atstumas daug mažesnis už bangos ilgį. Taigi elektronai ir skylės, kaip de Broilio bangos, neatsispindi nuo arti vienas kito esančių kietojo kūno gardelės mazgų.
Puslaidininkių Laidumas ir Temperatūra
Grynajame puslaidininkyje laidumo elektronų ir skylių koncentracijos vienodos. Grynojo puslaidininkio savųjų krūvininkų koncentracija ir judrumas priklauso nuo temperatūros. Pagal (3.21) grynojo puslaidininkio laidumo logaritmo priklausomybė nuo dydžio yra tiesė (3.5 pav.).
Legiruotųjų puslaidininkių laidumą vidutinių temperatūrų srityje lemia pagrindiniai krūvininkai. Legiruotojo puslaidininkio elektrinis laidumas priklauso nuo temperatūros ir priemaišų koncentracijos. Žemųjų ir aukštųjų temperatūrų srityse (priemaišų jonizacijos ir savojo laidumo srityse) krūvininkų koncentracijos daug labiau priklauso nuo temperatūros nei judrumas.
Todėl legiruotojo puslaidininkio elektrinio laidumo priklausomybės nuo temperatūros kreivė (3.6 pav.) panaši į elektronų donoriniame puslaidininkyje ir skylių akceptoriniame puslaidininkyje priklausomybes nuo temperatūros. Skirtumas tik tas, kad vidutinių temperatūrų srityje pagrindinių legiruotojo puslaidininkio krūvininkų koncentracija nekinta, o elektrinis laidumas mažėja, kylant temperatūrai.
Vidutinių temperatūrų srityje pagrindinių krūvininkų koncentracija legiruotame puslaidininkyje lygi priemaišų koncentracijai. Todėl, didėjant priemaišų koncentracijai, elektrinis puslaidininkio laidumas didėja, nors judrumas, kaip žinome, šiek tiek mažėja.
Puslaidininkių elektrinis laidumas priklauso ir nuo kitų veiksnių. Žinome, kad laisvieji elektronai metale atsiranda, susidarant metališkiesiems ryšiams. Tada atomų valentiniai elektronai tampa laisvaisiais elektronais. Jų koncentracija priklauso nuo atomų skaičiaus tūrio vienete ir atomo valentinių elektronų skaičiaus. Ji praktiškai nepriklauso nuo temperatūros ir būna 1022-1023 cm-3.
Jei elektrinis laukas silpnas, tai elektronų dreifo greitis būna mažas. Todėl, skaičiuojant vidutinį greitį , dreifo greičio galima nepaisyti ir laikyti, kad elektrono vidutinis greitis apytikriai lygus šiluminio judėjimo greičiui.
Pagal (2.19) absoliučiojo nulio temperatūroje metalo elektronų Fermio energija priklauso nuo laisvųjų elektronų koncentracijos. Kylant temperatūrai, elektronų koncentracija metale ir Fermio lygmens padėtis beveik nekinta.
Todėl galima laikyti, kad užimančių Fermio lygmenį elektronų vidutinis greitis nekinta, kylant temperatūrai. Metalo elektronų vidutinį laisvąjį kelią nulemia elektronų susidūrimai su gardelės defektais. Jei vyrauja fononinė elektronų sklaida, tai, o. Tada pagal (3.28) ir (3.7) grynojo metalo elektronų judrumas ir savitasis laidumas atvirkščiai proporcingi temperatūrai:
Šią išvadą, kaip žinoma, patvirtina eksperimentai. Paprastai net gryniausiame metale esti priemaišų. Todėl žemų temperatūrų srityje elektronų vidutinį laisvąjį kelią riboja tik susidūrimai su priemaišų atomais. Tada ne tik bei, bet ir nepriklauso nuo temperatūros.
3.10 paveiksle atvaizduotas metalo savitosios varžos priklausomybės nuo temperatūros grafikas. Pagal (3.31) formulę iir 3.10 paveikslą absoliučiojo nulio temperatūroje lieka tik savitosios varžos dedamoji. Didėjant priemaišų koncentracijai, ir didėja. Todėl metalų lydinių, kuriuose vieno metalo atomai yra priemaiša kito metalo gardelėje, savitoji varža būna didesnė už grynųjų metalų savitąsias varžas.
Šį teiginį galima iliustruoti tokiu pavyzdžiu. Sidabro savitoji varža yra mažesnė nei aliuminio. Tačiau į aliuminį įmaišius sidabro, jo savitoji varža ne sumažėja, o padidėja.
Lydinio, kuriame yra apie 90 % sidabro ir 10 % aliuminio, savitoji varža 300 K temperatūroje yra 15 kartų didesnė už aliuminio savitąją varžą ir 30 kartų didesnė už sidabro savitąją varžą.
Lydinių varža yra didelė todėl, kad kristalinės gardelės defektai labai sumažina elektronų laisvąjį kelią ir judrumą. Kuo daugiau reiškiasi priemaišinė sklaida, tuo mažiau varža priklauso nuo temperatūros.
Varža atvirkščiai proporcinga laidumui. Grynojo puslaidininkio savitasis laidumas išreiškiamas (3.20) formule. Legiruotojo puslaidininkio pagrindinių krūvininkų koncentracija vidutinių temperatūrų srityje nekinta. Savitojo laidumo kitimą lemia judrumo kitimas. Pagal 3.6 paveikslą ir (3.15) formulę.
Gunno Reiškinys
Gunno reiškinys (Gãno reiškinỹs) - savaiminis mikrobangų dažnio elektros srovės virpesių atsiradimas puslaidininkiuose, kurių srovės priklausomybė nuo elektrinio lauko stiprio turi neigiamojo diferencialinio laidumo sritį.
Ši sritis atsiranda dėl krūvininkų dreifo greičio mažėjimo didėjant elektrinio lauko stipriui, kai elektrinio lauko reikšmė viršija tam tikrą slenkstinę reikšmę Es. Elektroninis laidumas galio arsenido GaAs kristaluose Es apie 3,5 kV/cm.
Neigiamąjį diferencialinį laidumą lemia sudėtinga (daugiaslėnė) puslaidininkio laidumo juostos sandara. Veikiant stipriam elektriniam laukui dalis elektronų iš pagrindinio slėnio patenka į šalutinius, kur jų efektinė masė didesnė, todėl sumažėja krūvininkų vidutinis judris.
Gana stipriuose elektriniuose laukuose (E > Es), kai šalutiniuose slėniuose gerokai padidėja elektronų tankis, jų dreifo greitis pradeda mažėti didėjant elektrinio lauko stipriui - atsiranda neigiamojo diferencialinio laidumo sritis.
Ši būsena yra elektriškai nestabili - prasideda savaiminis erdvinio krūvio kaupimasis ten, kur elektrinis laidumas nevienalytis. Dėl šios priežasties prie katodo formuojasi ir labai stipraus elektrinio lauko (iki 100 kV/cm) siaura sritis - elektrinis domenas.
Per elektrinio domeno formavimosi laiką (apie 10-12 s) kitoje puslaidininkinio kristalo dalyje elektrinio lauko stipris ir per kristalą tekanti srovė mažėja, kol nusistovi tam tikra stabili būsena. Elektrinis domenas, veikiamas elektrinio lauko, juda išilgai kristalo apie 107 cm/s greičiu.
Domenui pasiekus anodą srovė padidėja, bet prie katodo iš karto pradeda formuotis kitas elektrinis domenas ir srovė vėl sumažėja. Šių elektros srovės virpesių dažnis f = v/l; čia v - elektrinio domeno greitis, l - kristalo ilgis (atstumas tarp katodo ir anodo). Jei l = 10 µm, f = 10 GHz.
Gunno reiškinys naudojamas 3-100 GHz dažnių ruožo elektriniams virpesiams žadinti ir stiprinti. Gunno reiškiniu nustatytas elektroninis laidumas indžio fosfido InP, indžio stibido InSb, germanio Ge, indžio galio arsenido InGaAs ir kituose puslaidininkiniuose kristaluose.
Voltamperinės Charakteristikos Matavimai
Pateiksime pavyzdį, kaip buvo matuojamos bandinių voltamperinės charakteristikos, naudojant kompiuterizuotą bandinių voltamperinių charakteristikų matavimo sistemą [18]. Matavimo stendą sudaro asmeninis kompiuteris, kurio pagrindinė funkcija - keisti pastovios srovės maitinimo šaltinio įėjimo įtampą ir nuskaityti informaciją iš elektroninio prietaisų sąsajos įrenginio, prie kurio prijungti du skaitmeniniai voltmetrai.
Asmeninis kompiuteris valdo šiuos prievadus, kuriais komunikuoja su maitinimo šaltiniu ir elektroniniu prietaisų sąsajos įrenginiu. Asmeninis kompiuteris nustato, kokiu intervalu reikia keisti įtampą. Taip pat nustatomas įtampos žingsnis. Taip ciklas kartojamas, kol pasiekiama galutinė įtampos vertė. Ši vertė siunčiama maitinimo šaltiniui.
Kadangi varža ir bandinys yra sujungti nuosekliai, tai per varžą ir bandinį tekanti srovė yra tokia pati. Žinant srovės stiprį bei įtampą, brėžiamas voltamperinės charakteristikos grafikas.
Elektromagnetinės spinduliuotės šaltiniu buvo naudojamas klistroninis generatorius, spinduliuojantis nuo 26 GHz iki 37,5 GHz dažnių ruože. Uždarius slopintuvą WU2, generatorius buvo nustatomas nuolatinės generacijos režime ir termistoriniu galios matuokliu matuojama galia.
Voltvatiniai charakteristikų matavimai buvo atliekami klistroniniam generatoriui veikiant impulsiniu režimu. Jutiklio voltvatinis jautris surandamas pagal formulę: U/P, kur U - jutiklio detektuotas signalas, P - mikrobangų spinduliuotės galia bangolaidyje. Taip surandama voltvatinės charakteristikos tiesinės dalies jutiklio voltvatinis jautris.
Eksperimentiniai Rezultatai
Pirmiausia buvo matuojamos bandinių voltamperinės charakteristikos tiek kambario, tiek skystojo azoto temperatūrose. Iš grafiko matyti, jog voltamperinė charakteristika mažų įtampų srityje yra tiesinė, o didėjant įtampai tampa supertiesine.
Toliau pateikiami duomenys apie voltamperines charakteristikas, išmatuotas su įvairiais dariniais:
- GaAs/AlGaAs dariniai: Išmatuota kambario temperatūroje.
- n-GaAs dariniai: A tipo (kaklelio plotis 2 µm) ir B tipo (kaklelio plotis 1 µm).
A tipo n-GaAs darinio signalo priklausomybė nuo mikrobangų galios skystojo azoto temperatūroje rodo, kad esant tai pačiai galiai 26 GHz dažnyje detektuojama įtampa yra didesnė negu 37,5 GHz dažnyje.
Iš gautų duomenų galime pasakyti, kad 26 GHz dažnyje jautrumas skystojo azoto temperatūroje yra dvigubai didesnis negu kambario temperatūroje, t.y. kambario temperatūroje jautrumas yra 0,013 V/W, o skystojo azoto temperatūroje - 0,026 V/W.
Įvertinimai rodo, kad B tipo n - GaAs bandinio, kurio kaklelio plotis 1 µm, voltvatinis jautris yra mažesnis už A tipo n - GaAs bandinio, kurio kaklelio plotis 2 µm, voltvatinį jautrį.
Superlaidumas
Superlaidumo reiškinį 1911 metais pastebėjo H. Kamerlingas Onesas (Kamerling Onnes), tirdamas gyvsidabrio liekamąją varžą. Superlaidumas pasireiškia tuo, kad laidininko elektrinė varža sumažėja beveik iki nulio, kai to laidininko temperatūra tampa žemesnė už jam būdingą krizinę (superlaidaus virsmo) temperatūrą.
tags: #puslaidininkiu #elektrinio #laidzio #priklausomybe #nuo #elektrinio