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

43997. Производство строительного керамического кирпича 1.05 MB
  Анализ степени опасности технологического процесса при производстве керамического кирпича. Он предложил изменить размеры кирпича сделав его более узким и продолговатым; размер аристотелева кирпича был 65Х25Х15 вершка или 270Х110Х70 мм что по объему составляет 105 современного кирпича. Производство кирпича развивалось также и в других городах: в первой половине XVII века мастера кирпичники были зарегистрированы в 15 городах. Качество кирпича изготовляемого на Руси в XV XVII вв.
43998. Дослідження ефективності паралельного сортування на багатоядерному компютері 1.01 MB
  Основною задачею дипломного проекту є дослідження, розробка (модернізація) і аналіз продуктивності паралельних алгоритмів зовнішнього сортування даних. Побудова формул оцінки витрат часу для виконання операції сортування - необхідної частини процедури оптимізації при реалізації операцій реляційної алгебри. Бажано показати лінійну залежність прискорення часу зовнішнього сортування від кількості доступних процесорів.
44000. Технико-экономическое обоснование проекта (на примере ООО «ПЕТРО-ВИД») 1.57 MB
  Малый бизнес способствует созданию новых рабочих мест, обеспечивает занятость населения, в итоге уменьшается безработица. Относительно небольшой персонал предприятий малого бизнеса способствует большему сплочению трудового коллектива по сравнению с крупными предприятиями. Это еще более усиливает трудовую мотивацию и положительно сказывается на результатах труда компании.
44001. Редуктор Цилиндрический 1.16 MB
  Определение действительных изгибающих напряжений Проверочный расчет быстроходной ступени. Расчет диаметров колес Расстояние между деталями передач Выбор типа подшипников Конструирование зубчатых колес Проверка валов Определение усилий действующих на вал. Определение реакций и построение эпюр изгибающих моментов Определение моментов в опасных сечениях и проверка подшипника.
44002. Подбор основных элементов проектируемого здания 4.46 MB
  Основным направлением развития массового жилищного строительства является сборное, панельное домостроение. Однако более 35% объемов жилищного строительства осуществляется еще недостаточно индустриальными методами. Поэтому индустриальные методы монолитного домостроения рассматриваются как резерв повышения общего уровня дальнейшей индустриализации
44003. Розробка установки для зварювання прямолінійних швів товстостінної обичайки неплавким електродом у середовищі інертного газу 367 KB
  До того у зв’язку із значною вартістю і істотними складнощами робіт по виправленню дефектів швів особливо важливим є питання вибору оптимальних параметрів процесу зварювання і їх підтримки впродовж усього технологічного циклу. Слід зазначити що розширення технологічних можливостей і підвищення продуктивності дугового зварювання неплавким електродом також є вельми важливим. Спрощення технології складання деталей під зварювання зниження кутових деформацій звуження зони термічного впливу сприяють більш широкому застосуванню технологій...
44005. Вибір відповідників перекладу текстів науково-навчального жанру та визначення ступеня їх відповідності 287 KB
  У зв’язку з цим стало зрозумілим що основні труднощі перекладу і весь характер перекладацького процесу зумовлюються розбіжностями в структурах і правилах функціонування мов що беруть участь у цьому процесі. Розвитку лінгвістичної теорії перекладу сприяло і те що дослідження перекладацького процесу дало важливі результати для рішення багатьох інших мовознавчих проблем. Рецкер висловив переконання що вибір перекладачем того чи іншого варіанта перекладу часто аж ніяк не є довільним а є закономірним і визначається співвідношенням одиниць...