Большая Советская Энциклопедия (ПО)

В достаточно сильном поле рожденные в результате ударной ионизации неравновесные носители могут за время своей жизни также создать новые пары, и тогда процесс нарастания концентрации носителей принимает лавинообразный характер, т. е. происходит пробой. В отличие от пробоя диэлектриков , пробой П. не сопровождается разрушением кристалла, т.к. пробивные поля для П. с шириной запрещенной зоны DE ~ 1—1,5 эв относительно невелики (lb 10⁵в/см, а в InSb lb 250 в/см ). Специфичный для П. пробой, связанный с ударной ионизацией примесей, имеющих малую энергию ионизации, при низких температурах происходит в полях ~1—10 в/см.

Электрическое поле может и непосредственно переводить валентный электрон в зону проводимости, т. е. рождать электронно-дырочные пары. Этот эффект имеет квантовомеханическую природу и связан с «просачиванием» электрона под действием внешнего поля через запрещенную зону (см. Туннельный эффект ). Он наблюдается обычно лишь в весьма сильных полях, тем больших, чем шире запрещенная зона. Такие поля, однако, реализуются во многих полупроводниковых приборах; в ряде случаев туннельный эффект определяет характеристики этих приборов (см. Туннельный диод ).

Экспериментальные методы исследования полупроводников (наиболее распространённые). Ширина запрещенной зоны DE , так же как и положение более высоких разрешенных зон, могут быть определены из спектров собственного поглощения или отражения света. Оптические методы особенно эффективны в сочетании с воздействиями электрического поля, деформацией кристалла и др. (модуляционные методы). Минимальная ширина запрещенной зоны определяется также и по температурной зависимости собственной проводимости или по положению красной границы собственной фотопроводимости. Наиболее полные и точные сведения об эффективных массах дают исследования циклотронного резонанса и магнитооптических явлений (см. Магнитооптика ). Для П., в которых эти методы не удаётся использовать, например из-за малой подвижности носителей, оценить массу и плотности состояний можно по величине термоэдс. В некоторых случаях эффективны исследования гальваномагнитных явлений в сильных магнитных полях, особенно в вырожденных П., где наблюдаются различные квантовые осцилляции типа Шубникова — Де Хааза эффекта . Основным методом измерения концентрации носителей и определения их знака в случае примесной проводимости является эффект Холла. Знак носителей может быть установлен и по направлению термоэдс. В сочетании с измерениями проводимости эффект Холла позволяет оценить и подвижность носителей. Положение примесных уровней в запрещенной зоне определяют по красной границе фотопроводимости или чаще по температурной зависимости примесной проводимости. Фотопроводимость, а также инжекция с контактов используются для определения времени жизни и длины диффузии неравновесных носителей.

Л. В. Келдыш.

Историческая справка . Хотя П. как особый класс материалов были известны ещё к концу 19 в., только развитие квантовой теории позволило понять особенности диэлектриков, П. и металлов (Уилсон, США, 1931). Задолго до этого были обнаружены такие важные свойства П., как выпрямление тока на контакте металл — П., фотопроводимость и др. и построены первые приборы на их основе. О. В. Лосев доказал возможность использования полупроводниковых контактов для усиления и генерации колебаний — кристаллические детекторы. Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50-х гг. с открытием транзисторного эффекта (Бардин, Браттейн, Шокли, США, 1948) началось широкое использование П. (главным образом Ge и Si) в радиоэлектронике (см. Полупроводниковая электроника ). Одновременно началось интенсивное изучение физики П., чему способствовали успехи, достигнутые в технологии очистки кристаллов и их легирования. Интерес к оптическим свойствам П. возрос в связи с открытием вынужденного излучения в GaAs (Д. Н. Наследов, А. А. Рогачёв, С. М. Рывкин, Б. В. Царенков, СССР, 1962), что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на р—n– переходе [Холл (США) и Б. М. Вул , А. П. Шотов и др. (СССР)], а затем на гетеропереходах (Ж. И. Алферов и др.).

Широкие исследования П. в СССР были начаты ещё в конце 20-х гг. под руководством А. Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР. Многие из основных теоретических понятий физики П. впервые сформулировали Я. И. Френкель, И. Е. Тамм, Б. И. Давыдов, Е. Ф. Гросс, В. А. Жузе, В. Е. Лашкарев, В. М. Тучкевич и др. Они же внесли значительный вклад в изучение П. и их техническое применение.

Лит.: Иоффе А. Ф., Физика полупроводников, М. — Л., 1957; Шокли В., Теория электронных полупроводников, пер. с англ., М., 1953; Смит Р., Полупроводники, пер. с англ., М., 1962; Полупроводники. Сб. ст., под ред. Н. Б. Хеннея, пер. с англ., М., 1962; Ансельм А. И., Введение в теорию полупроводников, М. — Л., 1962; Блатт Ф., Физика электронной проводимости в твердых телах, пер. с англ., М., 1971; Стильбанс Л. С., Физика полупроводников, М., 1967; Пикус Г. Е., Основы теории полупроводниковых приборов, М., 1965; Гутман Ф., Лайонс Л., Органические полупроводники, пер. с англ., М., 1970; Остин И., Илуэлл Д., Магнитные полупроводники, «Успехи физических наук», 1972, т. 106, в. 2; Алексеев А. А., Андреев А, А., Прохоренко В. Я., Электрические свойства жидких металлов и полупроводников, там же, т. 106, в. 3.

Рис. 5. Температурная зависимость концентрации n носителей тока в умеренно легированном (1) и сильно легированном (2) полупроводниках: I — область частичной ионизации примесей; II — область их полной ионизации; III — область собственной проводимости.

Рис. 6. Различные типы нелинейных зависимостей плотности тока j = enn_д от напряжённости электрического поля Е в полупроводниках; а — насыщающаяся; б — N-oбразная; в — S-oбразная.

Рис. 1. Заполнение энергетических зон при абсолютном нуле температуры: а — в диэлектриках; б — в металлах; разрешенные зоны заштрихованы, заполненные зоны или их части заштрихованы дважды.

Рис. 3. Схема энергетических зон Ge; DE — ширина запрещенной зоны, L, Г и D — три минимума зависимости E_(р) в зоне проводимости вдоль осей [100] (D и Г) и [111] (L).

Рис. 4. Электронные переходы, создающие электропроводность в полупроводнике: 1 — ионизация доноров (проводимость n-типа); 2 — захват валентных электронов акцепторами (проводимость р-типа); 3 — рождение электронно-дырочных пар (собственная проводимость); 4 — компенсация примесей.

Рис. 2. Заполнение энергетических зон в полупроводнике; показаны только валентная зона и зона проводимости; чёрные кружочки — электроны в зоне проводимости, белые — дырки в валентной зоне.

Полупроводники аморфные

Полупроводники' амо'рфные , вещества в твёрдом аморфном состоянии, обладающие свойствами полупроводников (см. Аморфное состояние ). П. а. разделяют на 3 группы: ковалентные (аморфные Ge и Si, InSb, GaAs и др.), халькогенидные стекла (например, As₃₁ Ge₃₀ Se₂₁ Te₁₈ ), оксидные стекла (например, V₂ O₅ — P₂ O₅ ) и диэлектрические плёнки (SiO_x , Al₂ O₃ , Si₃ N₄ и др.).

Энергетический спектр П. а. отличается от кристаллического П. наличием «хвостов» плотности электронных состояний, проникающих в запрещенную зону. По одной из теорий, П. а. следует рассматривать как сильно легированный и сильно компенсированный полупроводник, у которого «дно» зоны проводимости и «потолок» валентной зоны флуктуируют, причём это — крупномасштабные флуктуации порядка ширины запрещенной зоны. Электроны в зоне проводимости (и дырки в валентной зоне) разбиваются на систему «капель», расположенных в ямах потенциального рельефа и разделённых высокими барьерами. Электропроводность в П. а. при очень низких температурах осуществляется посредством подбарьерного туннелирования электронов между ямами аналогично прыжковой проводимости. При более высоких температурах электропроводность обусловлена тепловым «забросом» носителей на высокие энергетические уровни.

П. а. имеют различные практического применения. Халькогенидные стекла благодаря прозрачности для инфракрасного излучения, высокому сопротивлению и высокой фоточувствительности применяются в передающих телевизионных трубках, а также для записи голограмм (см. Голография ). Диэлектрические плёнки применяются также в структурах МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

В системах металл — плёнка П. а. — металл при достаточно высоком напряжении (выше порогового) возможен быстрый (~10^{– 10} сек) переход (переключение) П. а. из высокоомного состояния в низкоомное. В частности, существует переключение с «памятью», когда высокопроводящее состояние сохраняется и после снятия напряжения (память «стирается» обычно сильным и коротким импульсом тока). Низкоомное состояние в системах с памятью связано с частичной кристаллизацией П. а.

Лит.: Мотт Н., Дэвис Э., Электронные процессы в некристаллических веществах, пер. с англ., М., 1974.

В. М. Любин, В. Б. Сандомирский.

Полупроводники органические

Полупроводники' органи'ческие , твёрдые органические вещества, которые имеют (или приобретают под влиянием внешних воздействий) электронную или дырочную проводимости (см. Полупроводники ). П. о. характеризуются наличием в молекулах системы сопряжения (см. Валентность ). Носители тока в П. о. образуются в результате возбуждения p-электронов, делокализованных по системе сопряжённых связей. Энергия активации, необходимая для образования носителей тока в П. о., снижается по мере увеличения числа сопряжений в молекуле и в полимерах может быть порядка тепловой энергии.