ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Свойства твердых тел в сильных электрических полях из "Физика твердого тела " До сих пор, рассматривая электропроводность твердых тел, мы считали, что время релаксации т не зависит от электрического поля. В этих условиях плотность тока пропорциональна напряженности поля j=aS , т. е. электропроводность а является величиной, не зависящей от поля. Опыт показывает, однако, что независимость г от наблюдается лишь в полях, напряженность которых меньше некоторого критического значения. При электропроводность изменяется по мере роста т. е. закон Ома перестает выполняться, Это является следствием изменения либо концентрации носителей заряда, либо их подвижности. [c.256] Явления, приводящие к отступлению от закона Ома в сильных электрических полях, можно разделить на две группы. К первой относятся явления, изменяющие время релаксации, а следовательно, подвижность носителей. Это разогрев электронного газа и эффект Ганна. Вторая группа явлений, в которую входят ударная ионизация и эффект Зинера, вызывает изменение концентрации носителей. [c.256] В слабых полях t d Wr и результирующая скорость определяется тепловой скоростью vt- Она не зависит от напряженности поля, вследствие чего не зависит от S и подвижность. Поскольку концентрация электронов также не зависит от поля, электропроводность является величиной постоянной. [c.256] По мере увеличения напряженности поля S возрастает скорость дрейфа. Когда становится сравнимой с тепловой скоростью, результирующая скорость начинает зависеть от S. Это приводит к зависимости подвижности и электропроводности от S , т. е. к отклонению от закона Ома. [c.256] Увеличение результирующей скорости электронов в сильных полях приводит к возрастанию энергии электронов и, следовательно, к увеличению температуры электронного газа. Поэтому данный эффект называют разогревом электронного газа, а сами электроны в этом случае называют горячими электронами. [c.256] Заметим, что разогрев электронного газа наблюдается в полупроводниках и практически не имеет места в металлах. Причиной этого является невозможность создать в металле сильные поля из-за высокой концентрации свободных электронов и эффекта экранирования. [c.256] В результате на зависимости j(S) появляется участок с отрицательной дифференциальной проводимостью (рис. 7.26). [c.258] Рассмотрим более подробно механизм электрической неустойчивости, приводящий к высокочастотным осцилляциям тока. Это удобно сделать на примере опыта Ганна. Предположим, что к образцу полупроводника, имеющему форму параллелепипеда длиной L, приложено внешнее напряжение. Если полупроводник однороден, то электрическое поле в образце такм е однородно. Однако любой реальный кристалл содержит некоторые неоднородности. Наличие неоднородности с повышенным сопротивлением приводит к тому, что в этом месте образца напряженность электрического поля имеет повышенное значение. При увеличении напряженности внешнего поля значение Q р здесь достигается раньше, чем в остальной части образца. Вследствие этого в области неоднородности начинаются переходы из минимума А в минимум Б, т. е. появляются тяжелые электроны. Подвижность здесь уменьшается, а сопротивление дополнительно возрастает. Это приводит к увеличению напряженности поля в месте локализации неоднородности и более интенсивному переходу электронов в минимум Б. Поле в образце становится резко неоднородным. Такая зона с сильным электрическим полем получила название электрического домена. [c.258] содержащий тяжелые электроны, под действием поля перемещается вдоль образца с относительно низкой скоростью (так как подвижность тяжелых электронов мала). Легкие электроны также перемещаются в поле, причем с большей скоростью. Те электроны, которые движутся сзади домена, догоняют его и образуют область отрицательного объемного заряда, а те, которые движутся впереди, уходят от домена, и, таким образом, формируется область, обедненная электронами, т. е. область положительного объемного заряда (рис. 7.27). Через некоторое время устанавливается стационарное состояние, при котором скорость движения домена равна скорости перемещения электронов вне домена. Это происходит потому, что поле внутри домена сильно возросло и вследствие этого возрастает скорость движения электронов в нем. Поле вне домена, наоборот, резко уменьшилось. Поэтому дрейфовая скорость электронов за пределами домена снижается. Когда домен достигает границы образца, он разрушается. [c.258] Эффект Ганна используют при создании генераторов СВЧ-ко-лебаний. [c.259] Ударная ионизация. Увеличение электропроводности твердого тела в сильных полях связано с увеличением концентрации носителей заряда. При полях, напряженность которых превышает 10 В/м, электроны проводимости приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов. В результате ионизации образуются электронно-дырочные пары, которые ускоряются полем до высоких энергий и тоже могут ионизовать атомы. Таким образом, концентрация свободных носителей лавинообразно нарастает. Этот процесс и получил название ударной иониза-ции. Ударная ионизация не приводит к немед- ленному пробою вещества, поскольку электроны (и дырки), рассеиваясь на фононах, передают свою энергию решетке и могут рекомбинировать. [c.259] Вернуться к основной статье