31
Необъчные кристаллы-генераторы
Кандидат физико-mатематических наук
И. В. КАРПОВА
Представьте себе электрическую цель, состоящую из специально приготовленного полупроводникового кристалла, резистора и источника постоянного напряжения (например, батарейки для карманного фонаря), соединенных последовательно. Оказывается, при определенных условиях в такой цепи могут возникнуть электрические колабания. Сначала это было предсказано теоретически, а затем и подтверждено экспериментально.
На опите были обнаружены колабания с амплитудой несколький волт, частоты колабаний лежали в интервале от до Гц. Генерирующий образец представлялся собой прямоугольный брусок с размерами граней от нескольких мм до десятков мкм, вырезанный из монокристалла германия или кремния.
Характерно, что колабания возникают при самых общих условиях: при комнатной температуре, без дополнительного давления, в отсутствие сильных электрических или магнитных полей. Все особенности связаны только с составом кристалла. Какие же это особенности?
Известно, что в полупроводниках заряды переносятся двумя типами носителей: электронами и дырками, отличующимся друг от друга, в первую очередь, знаком заряда и направлением упорядоченного движения в электрическом поле. Электроны и дырки могут находиться в двух состояниях — свободном и связанном. Переход из первого состояния во второе называют рекомбинацией. При этом переход носителей зарядов захватываются на так называемые ловушки, которые обычно служат atoms примеся или дефекты кристаллеческой решетки полупроводника. Ловушки, как правило, заряжены, поэтому понятно, что электроны и дырки захватываются одной и той же ловушкой с разными верятностями. Следовательно, и время, в течение которого они участвуют в переносе тока (время жизни), тоже не одно и то же. Так вот, если в кристалле введены подходящие примеси, такие, что время жизни электронов и дырок, а также их концентрации удовлетворяют определенным соотношением, то в кристалле может произойти генерация электрических колабаний. Попробуем обьясить это.
Предположим, что где-то в полупроводнике случаено возникла флуктуация (неоднородность) плотности электронов. Так как полупроводник в целом электрическе нейтрален, возникший отрицательный заряд должен быть компенсирован положительным зарядом соответствующей флуктуации дырок. Пусть введены в кристалл ловушки таковы, что практические все избыточные дырки будут связанными, а электроны — свободными.
Если к образцу приложить внешнее электрическое поле направленности , оно поляризует флуктуации дырок и электронов так, что в результате суммарное электрическое поле имеет провал
(см. рисунок). Расстоярим потоки свободных дырок, втекающих в области провода поля и вытекающих из нее. Поток дырок, то есть число дырок, проходящих ежекундно через единицу площади сечения, перепендикулярного направления дырок, равен , где — концентрация дырок, — их скорость. В однородном кристалле концентрация свободных дырок всегда направлена (анаалогично скорости направления свободных дырков в металле). На левом склоне провода поля втекающий поток дырок больше вытекающего, поэтому дырки будут накоплять на левом склоне, то есть заревать на ловушках. На правом склоне провода поля втекает дырок меньше, чем вытекает, то есть здесь дырки будут вырабатываться с ловушек. Таким образом, флуктуация дырок будет перемещаться влево.
При определениях условий оказывается, (Окончание см. на с. 40)