БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)
Кулоновское взаимодействие, связывающее частицы в Э.-д. ж., ослаблено диэлектрической проницаемостью кристалла. Поэтому по сравнению с обычными жидкостями энергии связи частиц E 0 и их концентрации по в Э.-д. ж. весьма малы (E 0 ~ 10-2 — 10-1 эв, п 0 ~ 1017 — 1019 см -3 ). Область температур Т, при которых возможно существование Э.-д. ж., по порядку величины определяется соотношением: Т ³ (0,1 E 0 /к ) ~ 10—100 К (к — Больцмана постоянная ).
Диаметр капель обычно ~ 1—10 мкм, однако удаётся наблюдать капли с диаметрами до 1 мм. Капли можно ускорять до скоростей порядка скорости звука в кристалле, т. е. это подвижные области высокой металлической проводимости внутри практически не проводящего (при низких Т) кристалла. Э.-д. ж. можно рассматривать как устойчивые макроскопические «сгустки» введённой в кристалл энергии возбуждения. Эта энергия выделяется в процессе рекомбинации электронов и дырок частично в виде электромагнитного излучения (излучательные переходы), так что Э.-д. ж. являются интенсивными источниками света. Э.-д. ж. наиболее полно изучена в Ge и Si, однако есть указания на её существование и в других полупроводниках.
Лит. см. при ст. Экситон .
Л. В. Келдыш.
Электронно-дырочный переход
Электро'нно-ды'рочный перехо'д (p — n -переход), область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n к дырочной p ). Поскольку в р -области Э.-д. п. концентрация дырок гораздо выше, чем в n -области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р -область. Однако после ухода дырок в n -области остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а после ухода электронов в n -области — положительно заряженные донорные атомы. Т. к. акцепторные и донорные атомы неподвижны, то в области Э.-л. п. образуется двойной слой пространственного заряда — отрицательные заряды в р -области и положительные заряды в n -области (рис. 1 ). Возникающее при этом контактное электрическое поле по величине и направлению таково, что оно противодействует диффузии свободных носителей тока через Э.-д. п.; в условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полный ток через Э.-д. п. равен нулю. Т. о., в Э.-д. п. существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р -области и дырками в n -области), течёт к Э.-д. п. и проходит через него под действием контактного поля, а равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n -области и дырками в р -области), протекает через Э.-д. п. в обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер ). Разность потенциалов, возникающая между p- и n -областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.
Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через него. Если положит. потенциал приложен к р -области, то внешнее поле направлено против контактного, т. е. потенциальный барьер понижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер. Концентрация неосновных носителей по обе стороны Э.-д. п. увеличивается (инжекция неосновных носителей), одновременно в р- и n -области через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих нейтрализацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через Э.-д. п. При повышении приложенного напряжения этот ток экспоненциально возрастает. Наоборот, приложение положит, потенциала к и-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. При этом диффузия основных носителей через Э.-д. п. становится пренебрежимо малой.
В то же время потоки неосновных носителей не изменяются, поскольку для них барьера не существует. Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через Э.-д. п. течёт ток I s (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от приложенного напряжения. Т. о., зависимость тока 1 через Э.-д. п. от приложенного напряжения U (вольтамперная характеристика) обладает резко выраженной нелинейностью (рис. 2 ). При изменении знака напряжения ток через Э.-д. п. может меняться в 105 —106 раз. Благодаря этому Э.-д. п. является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменных токов (см. Полупроводниковый диод ). Зависимость сопротивления Э.-д. п. от U позволяет использовать Э.-д. п. в качестве регулируемого сопротивления (варистора ).
При подаче на Э.-д. п. достаточно высокого обратного смещения U = U пр возникает электрический пробой, при котором протекает большой обратный ток (рис. 2 ). Различают лавинный пробой, когда на длине свободного пробега в области объёмного заряда носитель приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решётки, туннельный (зинеровский) пробой, возникающий при туннелировании носителей сквозь барьер (см. Туннельный эффект ), и тепловой пробой, связанный с недостаточностью теплоотвода от Э.-д. п., работающего в режиме больших токов.
От приложенного напряжения зависит не только проводимость, но и ёмкость Э.-д. п. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между п- и р- областями полупроводника и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды являются неподвижными и связанными с кристаллической решёткой ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением ёмкости Э.-д. п. При прямом смещении к ёмкости слоя объёмного заряда (называется также зарядной ёмкостью) добавляется т. н. диффузионная ёмкость, обусловленная тем, что увеличение напряжения на Э.-д. п. приводит к увеличению концентрации неосновных носителей, т. е. к изменению заряда. Зависимость ёмкости от приложенного напряжения позволяет использовать Э.-д. п. в качестве варактора — прибора, ёмкостью которого можно управлять, меняя напряжение смещения (см. Параметрический полупроводниковый диод ).
Помимо использования нелинейности вольтамперной характеристики и зависимости ёмкости от напряжения, Э.-д. п. находит многообразные применения, основанные на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей. Их концентрация существенно изменяется при различных внешних воздействиях — тепловых, механических, оптических и др. На этом основаны различного рода датчики: температуры, давления, ионизирующих излучений и т. д. Э.-д. п. используется также для преобразования световой энергии в электрическую (см. Солнечная батарея ).
Э.-д. п. являются основой разного рода полупроводниковых диодов, а также входят в качестве составных элементов в более сложные полупроводниковые приборы — транзисторы , тиристоры и т. д. Инжекция и последующая рекомбинация неосновных носителей в Э.-д. п. используются в светоизлучающих диодах и инжекционных лазерах .
Э.-д. п. может быть создан различными путями: 1) в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (р -область), а в другой — акцепторной (n -область); 2) на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости (см. Полупроводниковый гетеропереход ); 3) вблизи контакта полупроводника с металлом , если ширина запрещенной зоны полупроводника меньше разности работ выхода полупроводника и металла; 4) приложением к поверхности полупроводника с электронной (дырочной) проводимостью достаточно большого отрицательного (положительного) потенциала, под действием которого у поверхности образуется область с дырочной (электронной) проводимостью (инверсный слой).
