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

82 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

48723. ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО RC-ФИЛЬТРА 695 KB
  ФАКУЛЬТЕТ РАДОИСВЯЗИ РАДИОВЕЩАНИЯ И ТЕЛЕВИДЕНИЯ Курсовая работа на тему: ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО RCФИЛЬТРА Выполнил студент группы Проверила: Чечулина Людмила Александровна СанктПетербург 2003 Содержание Нахождение операторной передаточной АЧХ ФЧХ характеристик первого звена .5 Таблица значений АЧХ ФЧХ обоих звеньев и всего фильтра а также их графики . Нахождение переходной характеристики для первого звена фильтра 8 5. Проверка устойчивости фильтра по расположению...
48724. Нахождение операторной передаточной характеристики ARC звена 1.07 MB
  Нахождение операторной передаточной характеристики RC звена ; кОм; Ф; Ом; Ом; т. n=3 Схема ФПНЧ ; ; ; Передаточная функция полиномиального низкочастотного фильтрапрототипа: ; Преобразуем схему ФПНЧ в схему проектируемого фильтра: Ом; Ф Гн; Ф Гн; Ф Гн Расчет передаточной функции проектируемого...
48725. Cложная система с использованием объектно-ориентированного подхода 172.5 KB
  Моделирование поведения стада животных. На территории леса в хаотичном порядке расположены деревья и животные. На одном из краёв леса находится корм для животных. Во время движения на животных действуют два стимула: достижение корма и стремление быть близко друг к другу.
48726. Основы хирургии нарушений венозного и лимфатического кровотока. ЯЗВЫ. СВИЩИ 664 KB
  Заболеваниями венозной и лимфатической систем страдают 35 млн. человек. У 15% из них имеются декомпенсированные формы заболеваний, требующие оперативного лечения. Материальные затраты на лечение этих заболеваний огромны и достигают в промышленно развитых странах
48727. Анализ и диагностика финансово-хозяйственной деятельности предприятии ОАО «КБ «Вымпел» и оценки эффективности его работы в условиях рыночной экономики 123.96 KB
  Содержанием АФХД является глубокое и всестороннее изучение экономической информации о функционировании анализируемого субъекта хозяйствования с целью принятия оптимальных управленческих решений по обеспечению выполнения производственных программ предприятия, оценки уровня их выполнения, выявления слабых мест и внутрихозяйственных резервов.
48728. Принципы организации производственного процесса 68.92 KB
  Главной задачей, стоящей перед работниками остается своевременное, качественное и полное удовлетворение народного хозяйства и населения в перевозках и повышение экономической эффективности работы отрасли.
48729. Історія України. НАВЧАЛЬНО-МЕТОДИЧНИЙ ПОСІБНИК 482.09 KB
  Вивчення історії України має не тільки пізнавальне, а й виховне значення, в якому закладено глибокий гуманістичний зміст. Зокрема, одним із головних завдань викладання вітчизняної історії є виховання у студентської молоді почуття патріотизму, громадянської свідомості, виховання майбутніх спеціалістів, яким належить утверджувати державність України.
48730. Методы локализации неисправностей на аппаратуре СВ и РМ 91 KB
  БИВ блок индикатора вспомогательный. Задана внешнее проявление неисправности на экране ЭЛТ БИВ отсутствует изображение. Отследим тракт прохождения сигнала при выводе цифровой информации на экране БИВ. Наша неисправность выражается как отсутствие изображения на экране БИВ.
48731. Проектирование ОКС №7 на городской телефонной сети с УВС и УИС 788.5 KB
  Рисунок 1 Схемы организации резервного обходного маршрута для направления нормального пучка А→В при пункте назначения F В зависимости от количества возможных маршрутов резервирования для направления нормального пучка А→В возможны варианты: один резервный маршрут. Если резервный маршрут для направления пучка А→В совпадает с нормальным маршрутом из табл. Резервные маршруты совпадают с нормальными маршрутами за исключением одного звена для которого организован резервный маршрут который выбирается из таблицы 11. В данную таблицу вносится...