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

83 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

46394. Розрахунок теплової схеми і устаткування блоку 300 МВт 1.23 MB
  Розрахунок процесу розширення пари в турбіні. Розрахунок термодинамічних параметрів підігрівників живильної та сітьової води. Тепловий розрахунок теплофікаційної установки. Визначення витрат пари на підігрівники живильної води. Тепловий розрахунок трубопроводу живильного насосу.
46395. ПОЛІТИЧНА ЕКОНОМІЯ 821.5 KB
  У ньому комплексно розкриті загальні закономірності розвитку економічних систем їх рушійні сили і суперечності показана роль продуктивних сил і економічних відносин у процесі розвитку суспільного виробництва. Головною метою вивчення дисципліни є формування системи знань про економічні відносини як суспільну форму виробництва проблеми ефективного використання обмежених виробничих ресурсів і шляхи забезпечення суспільних потреб у різних соціальноекономічних системах формування у студентів наукового світогляду сучасного економічного...
46396. Проблема промислової безпеки. Дії населення в очагах хімічної поразки 86 KB
  Проблема промислової безпеки значно загострилась з появою крупномасштабных хімічних виробництв в першій половині нашого сторіччя. Основу хімічної промисловості склали виробництва безперервного циклу, продуктивність яких не має, по суті, природних обмежень. Постійне зростання продуктивності зумовлене значними економічними перевагами великих настанов
46398. Бухгалтерський облік 664.71 KB
  Навчальними планами підготовки фахівців економічного спрямування кваліфікації «спеціаліст з обліку і аудиту» та «магістр з обліку і аудиту» у 9 семестрі передбачене вивчення дисципліни «Організація обліку». Поряд з аудиторними заняттями під час її опанування передбачається самостійна робота студентів, яка є невіддільною складовою навчального процесу.
46399. Модеми 26.5 KB
  За конструктивним виконанням модеми бувають вбудованими (вставляються в системний блок комп'ютера в один із слотів розширення) і зовнішніми (підключаються через один із комунікаційних портів, маючи окремий корпус і власний блок живлення). Однак без відповідного комунікаційного програмного забезпечення, найважливішою складовою якого є протокол, модеми не можуть працювати. Найбільш поширеними протоколами модемів є v.32 bis, v.34, v.42 bis та інші
46400. Массивы. Объекты. Ресурсы. Тип 65.5 KB
  Массив в PHP представляет собой упорядоченную карту – тип, который преобразует значения в ключи. Этот тип оптимизирован в нескольких направлениях, поэтому его можно использовать его как собственно массив, список (вектор), хеш-таблицу (являющуюся реализацией карты), стэк, очередь и т.д.
46401. Методичні вказівки. Сервіс і діагностика машин 945 KB
  Параметри технічного стану двигуна в цілому Діагностичний параметр Прямий структурний Непрямий що функціонально залежить від структурного Ефективна потужність двигунів: Зміна частоти обертання колінчастого вала при послідовному відключенні з роботи кожного з циліндрів с1 хв.1 Автомобільних за СТ СЕВ 765 77 Характеристики вібрації шуму або звуку м с2 м с дБ Тракторних за ГОСТ 18509 80 Максимальний крутний момент колінчастого вала Нм Прискорення частоти обертання колінчатого вала при розгоні без навантаження с2 Тиск...
46402. Розрахунок деталі ”Вал-шестерня” 2.3 MB
  Деталь ”Вал-шестерня” входить до фартуха токарно-револьверного верстату моделі 1Г340ПЦ, і призначений для переміщення фартуха у повздовжньому напрямку.