Курс физики для вузов - часть 117

Объяснить явление Пельтье можно

следующим образом. Электроны по раз-

ную сторону спая обладают различной
средней энергией (полной — кинетичес-
кой плюс потенциальной). Если элект-
роны (направление их движения зада-
но на рис. 335 пунктирными стрелками)

 через спай В  попадут в об-

ласть с меньшей энергией, то избыток
своей энергии они отдадут кристалли-
ческой решетке и спай будет нагревать-
ся. В спае А электроны переходят в об-
ласть с большей энергией, забирая те-

перь недостающую энергию у кристал-

лической решетки, и спай будет охлаж-
даться.

Явление Пельтье используется в тер-

моэлектрических полупроводниковых
холодильниках, созданных впервые в

1954 г. под руководством А. Ф. Иоффе,

и в некоторых электронных приборах.

3. Явление Томсона (1856). Вильям

Томсон (Кельвин), исследуя термо-
электрические явления, пришел к зак-
лючению, подтвердив его эксперимен-

тально, что при прохождении тока по
неравномерно нагретому проводнику
должно происходить дополнительное
выделение (поглощение) теплоты, ана-
логичной теплоте Пельтье. Это явление
получило название явления Томсона.
Его можно объяснить следующим об-
разом.

Так как в более нагретой части про-

водника электроны имеют большую
среднюю энергию, чем в менее нагре-
той, то, двигаясь в направлении убыва-
ния температуры, они отдают часть сво-
ей энергии решетке, в результате чего

происходит выделение теплоты Томсо-
на. Если же электроны движутся в сто-
рону возрастания температуры, то они,

наоборот, пополняют свою энергию за
счет энергии решетки, в результате чего

происходит поглощение теплоты Том-
сона.

§ 248. Выпрямление на контакте

Рассмотрим некоторые особенности

механизма процессов, происходящих
при приведении в контакт металла с
полупроводником. Для этого возьмем
полупроводник n-типа с работой выхо-
да А,

 работы выхода

 из ме-

талла. Соответствующие энергетичес-
кие диаграммы до и после приведения
в контакт показаны на рис. 336, а, б.

Если

 > А, то при контакте элект-

роны из полупроводника будут перехо-
дить в металл, в результате чего контак-
тный слой полупроводника обеднится
электронами и зарядится положитель-
но, а металл — отрицательно. Этот про-
цесс будет происходить до достижения
равновесного состояния, характеризу-
емого, как и при контакте двух метал-
лов, выравниванием уровней Ферми
для металла и полупроводника.

На контакте образуется двойной

электрический слой d, поле которого

(контактная разность потенциалов)
препятствует дальнейшему переходу

электронов. Вследствие малой концен-
трации электронов проводимости в по-
лупроводнике (порядка 10

15

 вмес-

то 10

22

 в металлах) толщина кон-

тактного слоя в полупроводнике дости-
гает примерно 10~

6

 см, т.е. примерно

в 10 000 раз больше, чем в металле. Кон-
тактный слой полупроводника обеднен
основными носителями тока — элект-
ронами в зоне проводимости, и его со-
противление значительно больше, чем
в остальном объеме полупроводника.
Такой контактный слой называется

запирающим.

При d =

 см и

 напря-

женность электрического поля контак-

тного слоя Е =

d

10

8

 В/м. Такое

контактное поле не может сильно по-

467

влиять на структуру спектра (напри-
мер, на ширину запрещенной зоны, на
энергию активации примесей и т.д.) и
его действие сводится лишь к парал-

лельному искривлению всех энергети-
ческих уровней полупроводника в об-
ласти контакта (рис. 336, б). Так как в

случае контакта уровни Ферми вырав-
ниваются, а работы выхода — величи-
ны постоянные, то при

 > А энергия

электронов в контактном слое полупро-
водника больше, чем в остальном объе-
ме. Поэтому в контактном слое дно
зоны проводимости поднимается вверх,
удаляясь от уровня Ферми. Соответ-
ственно происходит и искривление вер-
хнего края валентной зоны, а также до-
норного уровня.

Помимо рассмотренного выше при-

мера возможны еще следующие три
случая контакта металла с примесны-
ми полупроводниками: а)

 < А, по-

лупроводник n-типа; б)

 > А, полу-

а

До контакта

Металл Полупроводник

проводник

 в)

 < А, полупро-

водник

 Соответствующие зон-

ные схемы показаны на рис. 337.

Если

 < А, то при контакте метал-

ла с полупроводником n-типа электро-
ны из металла переходят в полупровод-

ник и образуют в контактном слое по-

лупроводника отрицательный объем-

ный заряд (рис. 337, а). Следовательно,
контактный слой полупроводника об-
ладает повышенной проводимостью,
т. е. не является запирающим. Рассуж-

дая аналогично, можно показать, что

искривление энергетических уровней
по сравнению с контактом металл —
полупроводник n-типа

 > А) проис-

ходит в обратную сторону.

При контакте металла с полупровод-

ником

 запирающий слой обра-

зуется при

 < А (рис. 337, в), так как

в контактном слое полупроводника на-
блюдается избыток отрицательных
ионов акцепторных примесей и недо-

После контакта

Металл Полупроводник

 v | п-типа

468

статок основных

 тока— ды-

рок в валентной зоне. Если же

 > А

(рис. 337, б), то в контактном слое по-

лупроводника р-типа наблюдается из-

быток основных носителей тока — ды-
рок в валентной зоне, контактный слой
обладает повышенной проводимостью.

Исходя из приведенных рассужде-

ний, видим, что запирающий контакт-
ный слой возникает при контакте до-
норного полупроводника с меньшей ра-
ботой выхода, чем у металла (см. рис.
336, б), и у акцепторного — с большей
работой выхода, чем у металла (см. рис.

337, в).

Запирающий контактный слой обла-

дает односторонней (вентильной)

проводимостью, т.е. при приложении
к контакту внешнего электрического
поля он пропускает ток практически
только в одном направлении: либо из
металла в полупроводник, либо из по-
лупроводника в металл. Это важнейшее
свойство запирающего слоя объясняет-
ся зависимостью его сопротивления от
направления внешнего поля.

Если направления внешнего и контак-

тного полей противоположны, то основ-
ные носители тока втягиваются в контак-
тный слой из объема полупроводника;
толщина контактного слоя, обедненно-
го основными носителями тока, и его со-
противление уменьшаются. В этом на-
правлении, называемом пропускным,
электрический ток может проходить че-
рез контакт металл — полупроводник.

Если внешне поле совпадает по зна-

ку с контактным, то основные носители
тока будут перемещаться от границы с
металлом; толщина обедненного слоя
возрастает, возрастает и его сопротивле-
ние. Очевидно, что в этом случае ток че-
рез контакт отсутствует, выпрямитель

заперт —

 запорное направление. Для

запирающего слоя на границе металла
с полупроводником n-типа

 > А)

пропускным является направление
тока из металла в полупроводник, а для
запирающего слоя на границе металла
с полупроводником р-типа

 < А) —

из полупроводника в металл.

§ 249. Контакт электронного

и дырочного полупроводников

Граница соприкосновения двух по-

лупроводников, один из который име-
ет электронную, а другой — дырочную

проводимость, называется электрон-
но-дырочным переходом (или р-п-пе-

реходом). Эти переходы имеют боль-

шое практическое значение, являясь ос-
новой работы многих полупроводнико-
вых приборов. p-n-Переход нельзя осу-
ществить просто механическим соеди-
нением двух полупроводников. Обыч-

но области различной проводимости

создают либо при выращивании крис-
таллов, либо при соответствующей об-
работке кристаллов. Например, на кри-
сталл

 n-типа накладывается

индиевая «таблетка» (рис. 338,

 Эта

система нагревается примерно при
500 °С в вакууме или в атмосфере инер-
тного газа; атомы индия диффундиру-
ют на некоторую глубину в германий.

Затем расплав медленно охлаждают.

Так как германий (Ge), содержащий
индий (In), обладает дырочной прово-
димостью, то на границе закристалли-
зовавшегося расплава и

 п-типа

образуется p-n-переход (рис. 338, б).

 338

469

Рассмотрим физические процессы,

происходящие в

 (рис. 339).

Пусть донорный полупроводник (рабо-

та выхода —

 уровень Ферми —

приводится в контакт (рис. 339, б) с ак-
цепторным полупроводником (работа
выхода —

 уровень Ферми —

Электроны из n-полупроводника, где
их концентрация выше, будут диффун-

дировать в

 где их

концентрация ниже. Диффузия же ды-
рок происходит в обратном направле-
нии — в направлении р

 п.

В n-полупроводнике из-за ухода

электронов вблизи границы остается
нескомпенсированный положительный
объемный заряд неподвижных ионизо-
ванных донорных атомов. В
воднике из-за ухода дырок вблизи гра-
ницы образуется отрицательный объем-
ный заряд неподвижных ионизованных

акцепторов (рис. 339, а). Эти объемные

 339

заряды образуют у границы двойной
электрический слой, поле которого, на-
правленное от n-области к р-области,
препятствует дальнейшему переходу
электронов в направлении n

 p и ды-

рок в направлении р

 Если концен-

трация доноров и акцепторов в полу-
проводниках п-  р-типа одинаковы, то
толщины слоев

 (рис. 339, в), в

которых локализуются неподвижные
заряды, равны

 =

При определенной толщине р-п-пе-

рехода наступает равновесное состоя-
ние, характеризуемое выравниванием
уровней Ферми для обоих полупровод-
ников (рис. 339, в). В области р-п-пере-
хода энергетические зоны искривляют-
ся, в результате чего возникают потен-
циальные барьеры как для электронов,
так и для дырок. Высота потенциально-

го барьера ар определяется первоначаль-
ной разностью положений уровня Фер-
ми в обоих полупроводниках. Все энер-
гетические уровни акцепторного по-
лупроводника подняты относительно

уровней донорного полупроводника на

высоту, равную

 причем подъем про-

исходит на толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя

 в по-

лупроводниках составляет примерно

 м, а контактная разность по-

тенциалов — десятые доли вольт. Но-

сители тока способны преодолеть та-
кую разность потенциалов лишь при
температуре в несколько тысяч граду-
сов, т. е. при обычных температурах рав-
новесный контактный слой является

запирающим (характеризуется повы-

шенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя

можно изменить с помощью внешнего
электрического поля. Если приложен-
ное к p-n-иереходу внешнее электричес-
кое поле направлено от п-полупровод-
ника к р-полупроводнику (рис. 340, а),
т. е. совпадает с полем контактного слоя,

470