1108

Общие сведения о полупроводниках

Доклад

Физика

Модель атома. Энергетическая диаграмма полупроводника. Энергетические диаграммы полупроводников. Элементы, IV группа таблицы Менделеева германий (Ge), кремний (Si).

Русский

2013-01-06

52.5 KB

80 чел.

Общие сведения о полупроводниках.

Полупроводниковые материалы встречаются в природе довольно часто, но далеко  не все из них находят применение при создании полупроводниковых приборов электроники. В основном находят применение следующие:

  1.  Элементы, IV группа таблицы Менделеева германий (Ge), кремний (Si). Используются в основном в транзисторах, диодах, тиристорах.
    1.  Соединения III и V групп таблицы Менделеева, условное обозначение   AIII BV  (арсенид галлия, GaAs, антимонид индия, InSb, фосфиды). Область применения – приборы для сверхвысоких частот (СВЧ), фотоприборы, светоизлучающие приборы.
    2.  Другие полупроводниковые соединения

Несмотря на различную принадлежность к группам у названных материалов имеются общие свойства, благодаря которым они и относятся собственно к полупроводникам. Это следующие.

1) По удельной проводимости они занимают промежуточное положение между диэлектриками и металлами,  10 -2 – 10 4 Ом/см.

         2) Удельное сопротивление сильно  зависит от наличия примесей, от температуры, от радиационных излучений.

Тема, о которой пойдет речь ниже, подробно изучается в разделе «Физика твердого тела» общего курса физики. Здесь же будут приведены только основные нужные нам определения.

         Все полупроводниковые материалы имеют кристаллическую структуру. В  узлах кристалла находятся атомы, состоящие из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг него. Это структура известна как модель атома Бора (рис. 1). Электроны имеют различные энергии (энергетические состояния).

                                                    

                                             Рис. 1 Модель атома

На внешней оболочке четырехвалентного полупроводника находится четыре электрона, благодаря которым между атомами возникает так называемая ковалентная связь. У одиночного атома энергетические состояния электронов занимают определенные уровни. При объединении атомов в кристаллическую решетку, каждый электрон испытывает воздействие не только своего атома, но и соседних и уровни расщепляются на энергетические зоны (рис. 2). В итоге этого формируется энергетическая диаграмма полупроводника, состоящая в общем случае из нескольких разрешенных зон, разделенных запрещенными зонами.  В разрешенных зонах могут находится электроны, а в запрещенных нет. На рис. 2 показаны две разрешенные зоны: нижняя зона – валентная и верхняя зона – зона проводимости. Такая энергетическая диаграмма у полупроводниковых материалов германия, кремния и арсенида галлия.      

Рис. 2. Энергетическая диаграмма полупроводника

В дальнейшем энергетическую диаграмму полупроводника будем показывать состоящей из 3-х зон. Электропроводность полупроводника  зависит от ширины зоны. Популярные материалы следующие зоны: Ge   W = 0.72 эВ,  Si   W = 1.13 эВ, GaAs   W = 1.32 эВ. Чем меньше W, темь меньше и удельное сопротивление материала. Таким образом, из приведенного ряда германий самый низкоомный полупроводник.

Внесение примесей влияет на проводимость и находит отражение в энергетическом состоянии. Напомним, что валентность кристалла равна четырем.

При добавлении  5-и валентной примеси, ее четыре электрона вступают в ковалентную связь с атомами основного вещества, а четвертому электрону связи нет. При относительно слабом энергетическом воздействии он может уйти от своего атома и превратится в свободный, подвижный носитель. Такой кристалл обладает электронной проводимостью, а 5-и валентная примесь называется донорной.

При добавлении 3-х валентной примеси, три электрона вступают в связь. Для четвертого электрона атома полупроводника связи нет. При слабых энергетических воздействиях может разорваться связь между соседними атомами и электрон с этой связи захватится атомом примеси (акцепторная примесь). В свободном же месте от электрона образуется положительно заряженное место, которое называется дыркой. В это место могут приходит электроны с соседней ковалентной связи, оставляя после себя дырку. Так возникает механизм дырочной проводимости. Дырка имеет положительный заряд, хотя и обязана своим существование электрону.

Заметим, что в металлах проводимость обеспечивается электронами, а в полупроводниках либо электронами (n-полупроводники), либо дырками (p-полупроводники), либо, если примесей нет, и электронами и дырками (i-полупроводники).

Изложенный механизм проводимости находит отражение в энергетическом состоянии полупроводника. При внесении примесей в энергетической диаграмме возникают дополнительные примесные разрешенные уровни при небольших концентрациях примесей и даже примесные зоны при значительных. В последнем случае полупроводники называются вырожденными.

На рис.3 приведены энергетические диаграммы полупроводников.

                    а)                                     б)                                        в)

               Рис.3 Энергетические диаграммы полупроводников,

а)  без примесей, б) с 5-и валентной примесью, в) с 3-х валентной примесью

Вероятности нахождения электрона на определенном уровне энергии определяется статистическими законами, которых существует несколько (статистика Максвелла, Ферми и т. д.). Наиболее популярен  статистический закон Ферми, который определяет вероятность электрона на уровне W :

                                                       ,

здесь Wf – энергия Ферми(не трудно видеть что вероятность нахождения на этом уровне равна 0.5), k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура. Положение уровня Ферми на энергетической диаграмме зависит от примесей. В чистом полупроводнике он в середине запрещенной зоны, в электронном – вблизи зоны проводимости, а в дырочном – вблизи валентной (рис.3).

Уже при комнатной температуре в кристалле идут процессы генерации и рекомбинации носителей. В чистом полупроводнике электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, оставляя после себя дырку. Таким образом рождается электронно – дырочная пара. И электроны, и дырки способны переносить электрический ток в равной степени. Наряду с этим идет обратный переход, электрон спускается в валентную зону, соединяется с дыркой и в кристалле образуется нейтральное место. Этот процесс называется рекомбинацией.

Несколько иначе эти процессы идут в примесных полупроводниках. Обратите внимание на рис.3, между примесными уровнями и разрешенными зонами имеется  весьма небольшой энергетический зазор, что облегчает генерацию носителя тока.

Именно благодаря этому, в n-полупроводнике, каждый атом примеси отдает свой электрон в пространство, а на месте примеси остается неподвижный положительно заряженный ион.

Подобная картина имеет место в p-полупроводнике; образуется подвижный положительный заряд (дырка) и неподвижный отрицательный ион.

             Подробно вопросы проводимости, энергетических состояний изложены в соответствующих разделах физики.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52759. Множення і ділення дробів 221 KB
  Дату народження якого українського письменника ви отримали Отже Іван Франко народився 27. Учень: Видатний український письменник Іван Якович Франко народився в селі Нагуєвичі Дрогобицького повіту на Львівщині в родині сільського коваля. Потім Іван Франко перейшов до школи при монастирі в Дрогобичі а згодом – до дрогобицької гімназії. Розв’язавши задачу ми з’ясуємо скільки мов знав Іван Франко і скількома мовами перекладені його твори.
52760. Додавання і віднімання десяткових дробів (5 клас) 45 KB
  Вчити застосовувати правила додавання та віднімання десяткових дробів до розвязування прикладів рівнянь задач спрощення виразів. Розвивати навички логічного мислення математичну мову навички зручного обчислення прикладів. Виконуючи вправи ми побачимо що нам потрібно вміти додавати та віднімати десяткові дроби для спрощення виразів розв’язування рівнянь розв’язування задач в одній системі вимірюваннякм год. Розв’язування вправ.
52761. Розвиток толерантності 48.5 KB
  Робота в групах зашифроване слово Жидрути Васпра Легнека Тижидру Батре Тивмі З`являється напис Дружити справа нелегка але дружити треба вміти. Разом ми клас Тож будемо вчитися дружити щоб не було як у байці Л. Бесіда: Що ж там лад Як досягти ладу в колективі Що ж означає: дружити Як ви розумієте це поняття А зараз послухайте вірш Оксани Сенатович. Що це значить не дружити Що це значить не дружити Жити так одинаком Не дружити це ходити Не дверима а вікном.
52762. Сложение и вычитание обыкновенных дробей 316 KB
  Цель: - актуализировать знания учащихся по теме «Сложение и вычитание дробей с равными знаменателями»; - развивать навыки применения теоретических знаний при решении различных видов практических упражнений; - формирование положительной мотивации к предмету через нестандартную форму реализации урока, развитие познавательного интереса учащихся; - воспитание культуры работы в группе; - поддержать акцию «Сохраним первоцветы».
52763. Дії над звичайними дробами. Розв’язування вправ 154.5 KB
  Мета: повторити і систематизувати знання з теми; продовжити розвивати вміння працювати самостійно в групах; виховувати в учнів творчі здібності; прищеплювати любов до математики; вчити їх об'єктивній самооцінці та вмінню коригувати свою навчальну діяльність; виховувати впевненість у своїх силах та самостійність.
52764. Уявлення про звичайні дроби. Правильні та неправильні дроби. Порівняння дробів 94 KB
  Правильні та неправильні дроби. МЕТА: вивчити означення дробового числазвичайного дробу ознайомити з поняттям правильний і неправильний дріб навчити розпізнавати звичайні дроби читати записувати їх; розвинути уяву увагу культуру математичного запису та мови; виховати самостійність допитливість та прагнення успіху. Приклад 2 правильні дроби.
52766. Доли и дроби 39.5 KB
  Норма хлеба была низкой и ничтожно малой: рабочие получали по 250 гр а служащие иждивенцы и дети по 125гр.30 лет хранился кусок блокадного хлеба в семье Карпушиных. Надкусив свою последнюю норму хлеба на руках матери умирает младшая дочь. Это норма хлеба ленинградского ребёнка.
52767. Розв’язування вправ на всі дії зі звичайними дробами з використанням міжпредметних зв’язків 52 KB
  Наполеон Математика королева і слуга наук Е. Белл Не знаючи математики не можна пізнати ні інших наук ні мирських прав Математика брама і ключ науки Р. Бекон Математика – та одна наука без якої неможлива ніяка інша. Соболєв Вся математика – це власне одне велике рівняння для інших наук.