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

20241. Понятие, предмет, задачи дисциплины «охрана труда в отрасли» 108 KB
  Охрана труда как социально-экономический фактор и область науки. Этапы развития охраны труда. Понятие охраны труда в законодательстве Украины. Предмет, содержание и задачи дисциплины охраны труда в отрасли. Взаимодействие охраны труда с другими дисциплинами.
20242. Основи методу Монте-Карло 146.5 KB
  точки та розрахувати в кожному полож. точки її енергію з частинками системи. Будується ланцюг випадкових переміщень однієї точки. точки; 2 обрати модель потенціальної енергії; 3задати температуру та довжину кроку відображ.
20243. Полімерний стат. клубок 46.5 KB
  клубок Полімерні молекули ланцюги з великої кількості ланок вони можуть відрізнятися сладом однакові ланки або різні степенем гнучкості числом гілок та заряджених груп. Найпростіша полімерна молекула послідовність великої кількості атомних груп з`єднаних у ланцюг ковалентними хімічними зв`язками. N масі ланцюга. Полімерний ланцюг має N 1 N 102 104 Полімерні молекули поділяються на лінійні та тривимірні.
20244. Спектральний склад розсіяного світла в газах. Ефект Мандельштама-Брілюена 85 KB
  Спектральний склад розсіяного світла в газах. Розсіяння світла це зміна якоїсь характеристики потоку оптичного випромінювання світла при його взаємодії з речовиною. Цими характеристиками можуть бути просторовий розподіл інтенсивності частотний спектр поляризація світла. Фізична причина розсіяння світла в чистій речовині полягає в тому що в силу статистичної природи теплового руху молекул середовища в ньому виникають флуктуації густини.
20245. Особливості реологічної неньютонівської рідини 90 KB
  Не ньютонівська течіяпри різних швидкостях течії рідина характеризується різними в‘язкостями. Для того щоб визначити поняття не ньютонівської рідини згадаємо що таке ньютонівська рідина. Бінгалівська рідина межа пластичностітобто в системі існує область де напруження не впливає на зсув характерною ознакою є те що течія починається коли дотичне напруження τ перевищує межу пластичності θ. ; немає зсуву шарів рідина рухається як жорсткий стержень.
20246. Взаємодія повільних нейтронів 57 KB
  Зіткнення нейтрона з ядром може відбуватись двома шляхами: або 1без утворення проміжного ядра коли нейтрон розсіюється безпосередньо силовим полем ядрапружне та непружне розсіяння 2або з утворенням проміжного збудженого ядра з наступним його розпадом по одному з можливи каналів: Авипромінювання γ квантів процес радіаційного захвату нейтрона ядром Б випромінювання заряджених частинок В ділення ядра В області повільних нейтронів енергія 1еВ основні процеси пружне ядерне розсіяння радіаційний захват нейтрона ядрома бо...
20247. Теорія капілярного віскозиметра 63.5 KB
  Віскозиметр прилад для визначення вязкості. Визначення вязкості капілярним віскозиметром базується на законі Пуазейля і полягає в визначенні часу протікання визначеної кількості рідини або газу через вузькі трубки круглого прерізу при заданому перепаді тисків. Прилади для вимірювання вязкості можна розділити на дві групи: 1Ті які використовують стаціонарні типи руху рідин капілярний метод метод падаючої кульки; 2 Використовуються нестаціонарні типи руху в основному обертальноколивальний рух коливання твердого тіла зануреного в...
20248. Розрахунок бінарної кореляційної функції числовими методами 61.5 KB
  Розглянемо як розрахувати бінарну кореляційну функцію цими методами: МК В окремих точках матимемо де середня кількість сусідів від відображаючої точки на відстані ri яка може бути обрахованою за наступною формулою: кількість сусідів у j му положенні відображаючої точки S кількість частинок в комірці. МД кількість частинок на відстані ri від μї частинки в момень часу n. l кількість частинок в комірці р кількість проміжків часу.
20249. Основи методу хвильової спектроскопії 89 KB
  З уширення спектральних ліній береться інформація про міжмолекулярну взаємодію. Є три причини уширення: 1.природня ширина ліній лише в основному стані нема уширення; 2.доплерівське уширення відбувається за рахунок молекул що знаходяться в тепловонму русі; 3.