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

33304. Показатели, характеризующие эффективность работы налоговых органов 25 KB
  Показатели целесообразно разделить на три группы: параметры отражающие степень участия субъекта Российской Федерации в части обеспечения поступлений в федеральный и территориальный бюджеты группа основных показателей; параметры соответствующие результатам непосредственной работы с налогоплательщиками группа дополнительных показателей; показатели отражающие условия работы налоговых органов учитывающие демографический территориальный социальный экономический и другие факторы группа конструктивных уточняющих показателей....
33305. Обжалование актов налоговых органов и действий или бездействия их должностных лиц 28 KB
  В случае обжалования актов налоговых органов действий их должностных лиц в суд по заявлению налогоплательщика плательщика сборов налогового агента исполнение обжалуемых актов совершение обжалуемых действий могут быть приостановлены судом в порядке установленном соответствующим процессуальным законодательством Российской Федерации. В случае обжалования актов налоговых органов действий их должностных лиц в вышестоящий налоговый орган по заявлению налогоплательщика плательщика сборов налогового агента исполнение обжалуемых актов...
33306. Пеня: сферы его применения и порядок расчета суммы платежа по нему с организацией и с банков 27 KB
  Сумма соответствующих пеней уплачивается помимо причитающихся к уплате сумм налога или сбора и независимо от применения других мер обеспечения исполнения обязанности по уплате налога или сбора а также мер ответственности за нарушение законодательства о налогах и сборах. Пеня начисляется за каждый календарный день просрочки исполнения обязанности по уплате налога или сбора начиная со следующего за установленным законодательством о налогах и сборах дня уплаты налога или сбора. Подача заявления о предоставлении отсрочки рассрочки или...
33307. Регистрация лиц (юридических, физических), их постановка на учет в налоговых органах и присвоение ИНН. 29.5 KB
  Регистрация лиц юридических физических их постановка на учет в налоговых органах и присвоение ИНН. Учет организаций и физических лиц В целях проведения налогового контроля налогоплательщики подлежат постановке на учет в налоговых органах соответственно по месту нахождения организации месту нахождения ее обособленных подразделений месту жительства физического лица а также по месту нахождения принадлежащего им недвижимого имущества и транспортных средств и по иным основаниям предусмотренным настоящим Кодексом. Постановка на учет...
33308. Налоговая декларация и ее значение и основные разделы 26.5 KB
  В каждой налоговой декларации указывается ИНН присвоенный налогоплательщику. Форма налоговой декларации если она не утверждена законодательством о налогах и сборах разрабатывается МНС РФ. Основные федеральные региональные и местные налоги имеют инструкции по заполнению налоговой декларации издаваемые МНС по согласованию с МФ РФ. При обнаружении налогоплательщиком в поданной им налоговой декларации ошибок приводящих к занижению суммы налога подлежащей уплате он обязан внести необходимые изменения в налоговую декларацию.
33309. Формы изменения срока уплаты налога 22 KB
  Формы изменения срока уплаты налога Это перенос уплаты налога на более поздний срок. Уплаты единовремно; 2. уплаты поэтапно; 3. уплаты единовремно; 4.
33310. Полное и частичное освобождение от налоговых обязательств. Налоговые каникулы 25 KB
  Окладная сумма валовой налог это результат умножения количества единиц налогообложения входящих в налоговую базу на ставку ставки налога. Освобождения от уплаты налога можно разделить на виды по формам предоставления льготы. Снижение ставки налога. согласно Закону о налоге на прибыль предприятий и организаций ставка налога понижается на 50 для предприятий в штате которых 50 и более составляют пенсионеры и инвалиды.
33311. Элементы акцизного налогообложения и их характеристика 33 KB
  Основными объектами налогообложения признаются операции по реализация на территории РФ произведенной подакцизной продукции ее производителями в том числе передача прав собственности и ее использование при натуральной оплате реализация алкогольной продукции с акцизных складов ввоз подакцизных товаров на таможенную территорию РФ а также ряд иных операций по передаче и продаже подакцизных товаров и подакцизного минерального сырья. При этом к производству подакцизных товаров приравнивается их розлив а также любые виды смешения товаров в...
33312. Элементы налога на добавленную стоимость и их характеристика 25 KB
  Налогоплательщиками НДС признаются: организации; индивидуальные предприниматели; лица признаваемые налогоплательщиками НДС в связи с перемещением товаров через таможенную границу РФ которые определяются в соответствии с Таможенным кодексом РФ. Объектом налогообложения признаются следующие операции: 1 реализация товаров работ услуг на территории РФ в том числе реализация предметов залога и передача товаров результатов выполненных работ оказание услуг по соглашению о предоставлении отступного или новации а также передача...