На головну

Основні відомості про напівпровідників. Дозволені і заборонені зони. Валентна зона і зона провідності.

  1.  ArcView GIS. Загальні відомості про систему
  2.  Event-менеджмент - поняття, основні методи.
  3.  I. Основні богословські положення
  4.  I. ОСНОВНІ Богословська ПОЛОЖЕННЯ
  5.  I. Основні завдання та напрямки роботи бібліотеки
  6.  I. Основні лінгвістичні джерела.
  7.  I. Основні права громадян

напівпровідники - В-ва, які по своїй електропровідності займають проміжне значення між провідниками і діелектриками.

Відмінною особливістю п / п є сильна залежність їх електропровідності від температури, концентрації домішок, світлового та іонізуючого випромінювання.

Використовувані в даний час п / п мають кристалічні структуру.

Найбільшого поширення набули Ge, Si, розташовані в N групі таблиці Менделєєва.

Всі речовини складаються з атомів, утворених позитивно зарядженого ядра і що обертаються навколо нього негативно заряджених електронів. Радіус орбіти електронів характеризує рівень їх енергії: чим більше цей рівень, т. Е. Чим далі від ядра знаходиться електрон, тим більше його енергія. Відповідно до принципу Паулі однакову енергію або іншими словами однакову орбіту можуть мати не більше двох електронів атома. Крім того, електрони атома можуть мати тільки цілком певні значення енергії, напр. w1, w2, w3, як показано на рис. 1а. Розташовані між ними енергетичні рівні є забороненими.

Електрони, що обертаються на зовнішніх оболонках, наз. валентними. У порівнянні з електронами, що обертаються на інших орбітах з меншими радіусами, вони мають найбільшу енергією. Оскільки в речовині міститься велика кількість атомів (в 1 см ^ 3 речовини міститься N = 10 ^ 22 атомів), а однакові значення енергії можуть мати не більше двох електронів, то енергетичні рівні валентних електронів розщеплюються в безліч енергетичних підрівнів, які утворюють валентну зону (рис. 1б). Число підрівнів в валентної зоні визначається числом взаємодіючих атомів. Оскільки ширина дозволеної зони в твердому тілі не перевищує декількох електронвольт (еВ), то при N = 10 ^ 22 різниця між підрівнями становить приблизно 10 ^ -22 еВ.

Дозволені зони відокремлені один від одного забороненими зонами. При T = 0K (абсолютний нуль) все валентні електрони ПП міцно пов'язані з його атомами. Тому якщо до такого ПП підключити зовнішнє джерело напруги, то через відсутність в ньому рухомих (вільних) носіїв електричного заряду струм через ПП протікати не буде, т. Е. При T = 0K ПП є ідеальним діелектриком.

З ростом температури валентні електрони отримують додаткову енергію, деякі з них відриваються від атомів і стають вільними. Такий ПП вже здатний пропускати електричний струм.

Енергетичні рівні вільних електронів утворюють "вільну" зону або зону провідності, відокремлену від валентної зони забороненою зоною шириною  W (рис. 1в). Ширина забороненої зони, розташованої між валентною зоною (ВЗ) і зоною провідності (ЗП) є важливим параметром, що визначає властивості твердого тіла: чим вона менша, тим більше вільних електронів утворюється в речовині при заданій температурі і тим більше його електропровідність. Речовини, у яких W  3еВ відносяться до ПП, а при  W> 3еВ - до діелектриків. У металів заборонена зона між ЗП та ВЗ відсутня, чим і пояснюється їх найбільша електропровідність у порівнянні з іншими речовинами.

Мал. 1


13. Напівпровідники з власною електропровідністю. Кристалічна решітка. Ковалентні зв'язки. Генерація пар електрон - дірка. Рекомбінація. Формули для концентрацій електронів і дірок.Як було відзначено в попередньому пункті, в якості вихідних напівпровідникових матеріалів при виготовленні напівпровідникових приладів отримали германій і кремній, розташовані У IV гр. таблиці Менделєєва Вони повинні мати правильну кристалічну форму з дуже малими дефектами (у вигляді відсутніх або змістилися атомів) і досить високу частоту. Кількість домішок допускається не більше 10 ^ 12 атомів на 1 см ^ 3, т. Е. Не більше 1 атома домішок на 10 ^ 10 атомів основної речовини. Тільки в цьому випадку можна досягти високої якості напівпровідникових приладів. Взаємне тяжіння атомів, що утворюють кристалічну решітку ПП, здійснюється за рахунок парно електронної, або ковалентного зв'язку, т. Е. Загальної пари валентних електронів, що обертаються по одній орбіті навколо цих атомів (рис. 1). Ge і Si є 4-х валентними, а їх атоми мають 4 валентних електрони. В результаті утворення ковалентних зв'язків все атоми германію та кремнію виявляються взаємопов'язаними. Плоска модель кристалічної решітки чистого германію та кремнію показана на рис. 2. На цьому малюнку ковалентні зв'язки показані двома паралельними відрізками, що з'єднують два сусідніх атома, а електрони, що утворюють ці зв'язки, - у вигляді точок. Ця модель відповідає температурі абсолютного нуля і характеризується збереженням всіх ковалентних зв'язків між атомами і відсутністю в речовині вільних електронів. При кімнатній температурі частина валентних електронів набуває енергію, достатню для відриву від атомів, що викликає руйнування ковалентних зв'язків (рис. 3). Догляд електрона з ковалентного зв'язку супроводжується появою в системі двох електрично пов'язаних атомів позитивного одиничного заряду рівного заряду електрона і отримав назву дірки і вільного електрона. На енергетичній діаграмі (рис. 4) розрив ковалентного зв'язку характеризується появою в валентної зоні вільного енергетичного рівня, на який може перейти електрон із сусідньої ковалентного зв'язку. Отже, дірки, як і вільні електрони, можуть переміщатися по ПП. Таким чином, дірку можна вважати рухомим носієм елементарного позитивного заряду. Освіта вільних електронів і дірок під впливом температури або інших енергетичних факторів зв. процесом генерації пар електрон-дірка. Кількість або концентрація їх в ПП тим більше, чим вище температура і менше ширина забороненої зони  W. Тому в германієвих ПП, у якого  W = 0,72еВ, концентрація вільних електронів і дірок буде більше, ніж в кремнієвому (  W = 1,12еВ) при тій же самій температурі. Одночасно з процесом регенерації пар електрон-дірка в ПП йде і зворотний процес - їх рекомбінація. Рекомбінація полягає в переході вільних електронів з ЗП на вільні рівні валентної зони, в результаті чого зникають пари електрон-дірка і відновлюються ковалентні зв'язки. В процесі термодинамічної рівноваги процеси генерації і рекомбінації вільних носіїв зарядів взаємно врівноважуються, і в ПП встановлюється рівноважна концентрація вільних електронів ni в зоні провідності і рівна їй концентрація дірок pi в валентної зоні. ni= An· E ^ (Wф-Wдн) / kT pi= Ap· E ^ (Wв-Wф) / kT (2.1) Wф - рівень Фермі, рівень енергії, формальна ймовірність заповнення якого дорівнює 0,5 (формальна тому, що рівень Фермі знаходиться в забороненій зоні і фактично не може бути заповнений електронами); Wдн - енергія, відповідна "дна" зони провідності (нижнього енергетичного рівня ЗП); Wв - енергія, відповідна "стелі" валентної зони (верхньому енергетичному рівню ВЗ); k-постійна Больцмана, яка дорівнює 1,37 · 10 ^ -23 Дж / град; T - абсолютна температура, К; Аn і Аp - Коефіцієнти пропорційності. У хімічно чистих напівпровідниках Аn= Аp= A, а рівень Фермі збігається з серединою забороненої зони, тому Wф-Wдн = Wi-Wдн = -  W / 2; Wв-Wф = Wв-Wi = -  W / 2 і рівняння 2.1 можна записати у вигляді ni= pi= A · e ^ -  W / 2kT (2.2) Рівняння (2.2) показує, що чистий напівпровідник має однакові концентрації рухливих носіїв зарядів (електронів і дірок), що залежать прямо пропорційно від температури Т і обернено пропорційно від ширини забороненої зони  W. Такі ПП зв. чистими або ПП з власної електропровідністю. для додання напівпровідникових приладів необхідних властивостей в чисті ПП додають домішки інших елементів. Серед таких використовують п'яти- і тривалентні елементи (V і III (групи) таблиці Менделєєва) Концентрація домішок в більшості випадків не перевищує 10 ^ 15 - 10 ^ 17 атомів в 1 см ^ 3, що становить 10 ^ -5 - 10 ^ - 3% від атомів чистого ПП.

Мал. 1  Мал. 2  Мал. 3

Мал. 4





 Електричні заряди. Будова атома. Енергетичні рівні та енергетичні зони. Позитивні і негативні іони. |  Електричне поле. Взаємодія електричних зарядів з електричним полем. Закон Кулона. |  Електричний потенціал і різниця потенціалів. |  Електрична ємність. Конденсатор. Способи зміни електричної ємності конденсаторів. Паралельне і послідовне з'єднання конденсаторів. |  Постійний електричний струм. Умови існування електричного струму. Напрямок, сила і щільність постійного електричного струму. |  Електричний опір. Одиниці виміру опору. Залежність опору від температури. |  Резистори. Види резисторів. Паралельні і послідовні з'єднання резисторів. |  Закон Ома для ділянки та повної електричного кола. |  Закони Кірхгофа. |  Напівпровідники з доречний електропровідністю. Енергетична діаграма. Формули для концентрацій основних і неосновних носіїв. Положення рівня Ферми. |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати