🗊Презентация Однородный полупроводник

Классификация веществ Изменение электропроводности σ, Сим/см 104−106 10−10−103 10−10−10−18 Увеличение падает растет растет температуры Внесение падает резко растет растет примеси

Полупроводник – это вещество, электропровод-ность которого занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, основным свойством этого вещества является сильная зави-симость удельной проводимости от воздействия внешних факторов (температура, концентрация примесей, световое и ионизирующее излучение и др.). Полупроводник – это вещество, электропровод-ность которого занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, основным свойством этого вещества является сильная зави-симость удельной проводимости от воздействия внешних факторов (температура, концентрация примесей, световое и ионизирующее излучение и др.). Собственный полупроводник или полупроводник i-типа (от английского intrinsic – собственный) – это идеально чистый полупроводник, т.е. влиянием примеси на его свойства можно пренебречь. Это элементы IV группы периодической таблицы Менделеева (Ge, Si), химические соединения элементов AIII BV (GaAs, InSb), сульфиды ( CdS, BbS, ZnS), карбиды (SiC),оксиды (ZnO, Cu2O).

Модель ковалентной связи Собственные полупроводники образуют кубическую решётку типа алмаза, которая состоит из тетраэдров; расстояние между смежными атомами ~ 0,5 нм. В такой решётке каждый атом образует с четырьмя соседними атомами ковалентные связи, в результате которых происходит обобществление валентных электронов и образование устойчивых электронных оболочек, состоящих из 8 электронов.

Плоскостная схема кристаллической решетки германия

Возникновение пары электрон-дырка

Дырка – это разорванная ковалентная связь, ведущая себя как подвижный носитель заряда, равный по модулю заряду электрона. Дырка – это разорванная ковалентная связь, ведущая себя как подвижный носитель заряда, равный по модулю заряду электрона. Генерация – это явление возникновения пар электрон-дырка при получении атомом полупроводника дополнительной энергии (тепловой, электрической, световой и пр.), превышающей энергию связи электрона с атомом. Рекомбинация – явление исчезновения электрона проводимости и дырки проводимости при их встрече, т.е. электрон восстанавливает ковалентную связь.

Кристаллическая решетка собственного полупроводника

Модель энергетических зон Особенность энергетического спектра твердого тела - он состоит не из дискретных разрешенных уровней, а из дискретных раз-решенных зон. Каждая зона происходит от соответствующего атомного уровня, который как бы расщепляется при сближении атомов. Таким образом, для кристалла с межатомным расстоянием ≈ 0,56 нм получается определенная зонная диаграмма, в которой разрешенные зоны чередуются с запрещенными зонами. Верхнюю зону твердого тела, не заполненную (или не полностью заполненную) электронами при , называют зоной проводимости (ЗП). Зону, ближайшую к ЗП, называют валентной зоной (ВЗ). При она полностью заполнена. Следовательно, электроны этой зоны не могут участвовать в проводимости.

Таким образом, все существенные процессы в полупроводниковых приборах можно изучить, рассматривая только две смежные зоны: зону проводимости и валентную. Таким образом, все существенные процессы в полупроводниковых приборах можно изучить, рассматривая только две смежные зоны: зону проводимости и валентную. Разрешенные энергетические зоны разделены интервалами энергий, которыми электроны не могут обладать и которые называются запрещенными зонами. Зонная структура твердого тела при нулевой температуре лежит в основе классификации металлов, полупроводников и диэлектриков. ΔWЗ =0 – проводники, ΔWЗ ≤ 3 эВ − полупроводники, ΔWЗ > 3 эВ – диэлектрики.

Зонная структура при нулевой температуре для полупроводников и диэлектриков

При проводимость в собственном полупроводнике отсутствует, потому что ЗП пуста, а ВЗ заполнена. При любой температуре, отличной от нуля, в кристалле появляются фононы, энергетический спектр которых непрерывен. При проводимость в собственном полупроводнике отсутствует, потому что ЗП пуста, а ВЗ заполнена. При любой температуре, отличной от нуля, в кристалле появляются фононы, энергетический спектр которых непрерывен. Фононы с энергией, превышающей ΔWЗ , переводят некоторые электроны из верхней части ВЗ в ЗП. В результате в ЗП появляются свободные электроны, а в ВЗ – незаполненные уровни. Те и другие образуются одновременно и в равных количествах. Теперь электроны обеих зон могут двигаться в электрическом поле, обеспечивая проводимость кристалла. Дырка – это незаполненный уровень валентной зоны.

Энергетическая диаграмма собственного полупроводника WП – энергия дна ЗП, WВ – энергия потолка ВЗ

Количество электронно-дырочных пар тем больше, чем выше температура и меньше ширина запрещенной зоны. Из-за процессов генерации и рекомбинации носителей зарядов при данной температуре устанавливается определенная концентрация электронов в ЗП ni и равная ей концентрация дырок pi в ВЗ. Количество электронно-дырочных пар тем больше, чем выше температура и меньше ширина запрещенной зоны. Из-за процессов генерации и рекомбинации носителей зарядов при данной температуре устанавливается определенная концентрация электронов в ЗП ni и равная ей концентрация дырок pi в ВЗ. Скорость генерации – число электронно-дырочных пар, возникающих в единицу времени. Она зависит от температуры и ширины запрещенной зоны. Скорость рекомбинации – число электронно-дырочных пар, исчезающих в единицу времени. Она зависит от концентрации носителей и свойств полупроводника

Для состояния термодинамического равновесия Для состояния термодинамического равновесия (T = const) обязательно выполняется равенство В собственном полупроводнике . *** В результате процессов генерации электронно-дырочных пар и их рекомбинации в собственном полупроводнике для каждого значения температуры устанавливается равновесная (или собственная) концентрация носителей – ni .

Расчет равновесной концентрации носителей заряда Это важнейшая задача статистической физики. Для решения этой задачи необходимо знать число квантовых состояний в заданном интервале энергий и вероятность нахождения частиц в этих состояниях. Для определения концентрации носителей заряда в полупроводнике необходимо знать фактическое число состояний занятых электронами и дырками.

I –энергетическая диаграмма собственного полупровод-ника. I –энергетическая диаграмма собственного полупровод-ника. WF – энергия Ферми, этот уровень расположен посередине ЗЗ. II - изменения плотности разрешенных уровней. N(W) – плотность разрешенных состояний, т.е. число квантовых состояний в единичном интервале энергии для единичного объема кристалла. III - статистика Ферми − Дирака. Функция Ферми для электронов ***

функция Ферми для дырок функция Ферми для дырок ***

Статистика Максвелла − Больцмана Статистика Максвелла − Больцмана *** ***

IV - Распределения электронов и дырок по энергиям IV - Распределения электронов и дырок по энергиям Количество электронов, находящихся в ЗП число дырок в ВЗ

Концентрация электронов Концентрация электронов Концентрация дырок

NC − эффективная плотность разрешенных состояний в ЗП, NV − эффективная плотность разрешенных состояний ВЗ, m*n и m*p – эффективные массы электрона и дырки.

Параметры основных полупроводников (Т=300 К)

Выводы 1. Распределения носителей заряда по энергиям носят экспоненциальный характер. 2. При Т = 300 К основная часть электронов имеет энергию близкую к энергии дна ЗП, а дырок − энергию близкую к энергии потолка ВЗ. 3. Равновесная концентрация носителей заряда ni зависит от температуры *** ni будет возрастать примерно на (5−7)% при увеличении температуры на 1 градус. 4. ni зависит от ΔWЗ полупроводника: чем больше ΔWЗ , тем меньше ni.

Электрический ток в собственном полупроводнике определяется двумя составляющими – электронным и дырочным токами, текущими в одном направлении. Электрический ток в собственном полупроводнике определяется двумя составляющими – электронным и дырочным токами, текущими в одном направлении.