Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Энергетические зоны в полупроводниках




 

Все процессы с электронами и дырками в полупроводнике, могут быть описаны с точки зрения энергии, которой обладают частицы, находящиеся в разных состояниях. С этой целью можно воспользоваться так называемыми энергетическими (или зонными) диаграммами, по вертикальной оси которых отложены значения энергии, а по горизонтальной может откладываться координата Х в кристалле. (см. рис.)

Энергетическая диаграмма изолированного атома кремния.

На рисунке показаны уровни энергии изолированного атома. Значения энергий, которыми может обладать электрон, представляют собой набор отдельных уровней, разделенных интервалами энергий, которыми электроны обладать не могут. На каждом энергетическом уровне, согласно принципу Паули, может находиться не более двух электронов (с противоположными спинами). Остальные электроны, если они имеются в атоме, распределены по другим разрешенным уровням.

Поскольку вне разрешенных уровней электрон находиться не может, он изменяет свою энергию в атоме скачкообразно, перепрыгивая с одного уровня энергии на другой.

Самые верхние уровни в невозбужденном атоме - это уровни, занимаемые валентными электронами, поскольку они наименее связаны с ядром (из-за экранирования поля ядра электронами внутренних оболочек). Мы знаем, что для того, чтобы электрон стал свободным, ему необходимо сообщить дополнительную энергию Eg. При этом электрон перейдет на уровень энергии свободного электрона, отстоящий от верхнего заполненного уровня на величину Eg. В этом интервале не существует разрешенных для электрона уровней энергии, поскольку любой меньшей чем Eg добавки энергии недостаточно, чтобы сделать электрон свободным (атом просто не воспринимает меньшую добавку энергии и электроны остаются на прежних разрешенных уровнях).

Если рассматривать не отдельный атом, а кристалл в целом, то можно говорить об энергетических зонах кристалла. В нем заполнены все разрешенные энергетические уровни.

Энергетическая диаграмма кристалла полупроводника в невозбужденном состоянии.

На рисунке можно увидеть валентную зону EV и зону проводимости EC.

Между EV и EC располагается запрещенная зона значений энергии, равная по ширине Eg.

В невозбужденном состоянии (T = 0 0K) валентная зона заполнена, а зона проводимости пустая. Поскольку электропроводность создается свободными электронами в EC, то при T = 0 0K полупроводник ведет себя как диэлектрик. Диэлектрик и полупроводник различаются лишь шириной запрещенной зоны.

В отличие от них, у металлов отсутствует запрещенная зона, так валентная зона полностью заполнена, вследствие чего свободные электроны существуют в металлах и при T = 0 0K.

Рождение свободного электрона и дырки (а), их движение во внешнем поле (б), рекомбинация (в).

При повышении температуры возрастают колебания атомов решетки и электроны валентной зоны, получая энергию от решетки, переходят в зону проводимости EС (см. рис. (а).

При переходе электрона в зону проводимости в EV остаются свободные места (дырки).

Под действием электрического поля электроны в EС и дырки в EV перемещаются в полупроводнике (cм. рис. (б), создавая электрический ток.

При рекомбинации электроны занимают свободный уровень в EV (см. рис. (в), в результате дырка и электрон проводимости исчезают.

Примесная проводимость. http://avnsite.narod.ru/physic/pp/teor_p7.htm

Если в полупроводник ввести примесь других веществ, то в дополнение к собственной появляется еще и примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной. Например, если к четырехвалентному кремнию добавить пятивалентную сурьму (Sb), мышьяк (As) или фосфор (P), то их атомы, взаимодействуя с атомами кремния только четырьмя своими электронами, пятый отдадут в зону проводимости. В результате добавляется некоторое число электронов проводимости. Сам атом примеси при отдаче электрона становится положительным ионом. Примеси, атомы которых отдают электроны, называются донорами. На рисунке 1 наглядно показано, как происходит этот процесс:

 

Рис. 1 - Возникновение примесной электронной электропроводности

Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа. Зонная диаграмма такого полупроводника показана на рис. 2.

 

Рис. 2 - Зонная диаграмма полупроводника n-типа

Энергетические уровни донора расположены немного ниже зоны проводимости, и таким образом в этой зоне появляется дополнительное число электронов, равное числу атомов донора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются.

Если же в четырехвалентный кремний ввести примесь трехвалентного бора (B), индия (In) или алюминия (Al), то их атомы отнимают электроны от атомов кремния, оставляя в наследство у кремния дырки. Такие примеси называются акцепторами. Сами атомы акцептора заряжаются отрицательно. На рис. 3 - наглядно показано, как атом акцепторной примеси захватывает электрон от соседнего атома кремния, оставляя там дыру (дырку):

 

Рис. 3 - Возникновение примесной дырочной электропроводности

Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называются дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа. Зонная диаграмма такого полупроводника показана на рис. 4:

 

Рис. 4 Зонная диаграмма полупроводника р-типа

Как видно, энергетические уровни акцепторов располагаются немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникают дырки.

В полупроводниковых приборах главным образом используется примесная донорная, либо акцепторная электропроводность. При обычных рабочих температурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т. е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси NД или акцепторной NА должна превышать концентрацию собственных носителей заряда. Носители заряда, концетрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Например, ими являются электроны в полупроводнике n-типа. Неосновными называются носители, концентрация которых меньше, чем основных. Концентрация неосновных носителей в примесном полупроводнике уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей. Интересно, что концентрация примеси всего лишь 0,0001% (один атом примеси на четыре с лишним миллиона атомов германия (или кремния)) увеличивает концентрацию основных носителей заряда в 1000 раз ну и, соответственно, увеличивается проводимость.

Рассмотрим прохождение тока через полупроводники с разным типом проводимости, для упрощения пренебрежем током собственных носителей. На рисунке представлены условные изображения прохождения тока через полупроводники с электронной и дырочной электропроводностью.

 


Рис. 5 Ток в полупроводниках с электронной и дырочной электропроводностью

На рисунке плюсиками и минусиками обозначены заряженные атомы кристаллической решетки. Электроны соответственно темные, дырки красные кружочки со стрелочками. Под действием ЭДС источника в проводах, соединяющих полупроводник n-типа с источником, и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости. В соединительных проводах полупроводника p-типа по прежнему движутся электроны, а в самом полупроводнике ток следует рассматривать как движение дырок. Электроны с отрицательного полюса поступают в полупроводник и заполняют пришедшие сюда дырки. К положительному полюсу приходят электроны из соседних частей полупроводника, и в этих частях образуются дырки, которые перемещаются от правого края к левому.

В электротехнике принято условное направление тока считать от плюса к минусу. При изучении электронных приборов удобнее рассматривать прохождение тока от минуса к плюсу, что, собственно, и является истинным направлением тока.




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-12-23; Просмотров: 6500; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.01 сек.