Электропроводность полупроводников

Собственные полупроводники

Так же как и в металлах, электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей зарядов. Как уже было сказано ранее, в металлах образуется такая кристаллическая структура, в которой атомы металла находятся на строго определенном расстоянии друг от друга в среде коллективизированных электронов. Эти коллективизированные или обобществленные электроны не локализуются вблизи своих атомов, а свободно перемещаются между атомами, образуя “электронный газ”.

В полупроводниках появление носителей заряда определяется рядом факторов, важнейшими из которых является чистота материала и его температура. В зависимости от степени чистоты полупроводники разделяются на собственные и примесные. Собственный полупроводник или полупроводник типа i (от английского слова intrinsic – собственный, внутренний) - это полупроводник, не содержащий примесных атомов другой валентности, влияющих на его электропроводность. В реальных условиях в кристаллической решетке полупроводника всегда существуют примеси, однако их концентрация настолько мала, что ею можно пренебречь.

Рассмотрим каким образом атомы вещества образуют твердое тело, имеющее кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка образуется под действием химической связи. Одним из важнейших типов химической связи является ковалентная связь, которая осуществляется парой электронов, общих для двух атомов, образующих связь.

Рис.4.2 поясняет механизм образования ковалентной связи между двумя простейшими атомами – атомами водорода, имеющими по одному валентному электрону на внешней электронной оболочке. Внешние электронные оболочки отдельных атомов при их сближении перекрывают друг друга (рис.4.2), в результате чего возрастает плотность отрицательного заряда в межъядерном пространстве. Это приводит к появлению сил притяжения, уравновешивающих силы взаимного отталкивания между ядрами. Такая химическая связь между атомами и называется ковалентной связью. Перекрытие электронных оболочек сблизившихся атомов приводит к обобществлению валентных электронов. В этом случае электрон принадлежит уже не одному атому, а нескольким атомам, образующим твердое тело.

В отличие от проводников, в которых обобществленные электроны свободно перемещаются между атомами, образуя “электронный газ”, обобществленные электроны в полупроводнике не могут свободно перемещаться, а локализуются вблизи своих атомов.

Примесные полупроводники

Общие представления. Полупроводники, в кристаллическую решетку которых помимо четырехвалентных атомов введены атомы примесей с валентностью, отличной от валентности основных атомов, называются примесными полупроводникам, а электрическая проводимость, созданная введенной примесью, называется примесной проводимостью. Для большинства полупроводниковых приборов используют именно такие примесные полупроводники. У них концентрация носителей заряда, вызванных наличием примесей, значительно больше концентрации собственных носителей заряда. Такие полупроводники имеют достаточно широкую запрещенную зону и ощутимая концентрация собственных носителей заряда появляется только при сравнительно высокой температуре.

В рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси. При малой концентрации примесей вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала. Однако примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны.

Под примесями в полупроводниковых химических соединениях понимают не только включения атомов посторонних элементов, но и избыточные по стехиометрическому составу атомы тех самых элементов, которые входят в химическую формулу самого соединения. Кроме того, роль примесей играют всевозможные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, атомы или ионы, оказавшиеся в междоузлиях решетки, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации кристалла, микротрещины и т. д. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то они называются примесями замещения, если в междоузлиях - примесями внедрения.

Доноры и акцепторы. Если валентность примесных атомов больше валентности основных атомов, например, в кристаллическую решетку четырехвалентного кремния Si введены пятивалентные атомы мышьяка As, то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в ковалентной связи. Действительно, атому мышьяка для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимы лишь четыре валентных электрона. Пятый же электрон атома мышьяка в ковалентной связи не участвует, он становится лишним. Со своим атомом он связан силой кулоновского взаимодействия. Энергия этой связи невелика (сотые доли электрон-вольта). Поскольку при комнатной температуре тепловая энергия электрона kT=0, 026эВ, то очевидно, что уже при комнатной температуре происходит ионизация примесных атомов мышьяка т. е. пятый электрон легко отрывается от атома, становясь свободным.

Тема 6. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Назначение магнитных материалов. Общие сведения о параметрах и характеристиках магнитных материалов

Известно, что в каждом электрическом аппарате и в каждой электрической машине для нормальной работы должен существовать магнитный поток, поэтому при конструировании любого электрооборудования возникает необходимость в материалах, которые были бы хорошими проводниками магнитного потока и создавали бы нужную для работы конфигурации магнитного поля. Для этого служат магнитные материалы, которые в электрических машинах и аппаратах выполняют роль проводников магнитного потока, или как их называют, магнитопроводов. Они же могут служить и источниками магнитного потока.

Из сказанного следует, что магнитные материалы являются основой современных генераторов, двигателей, трансформаторов, приборов автоматики и измерительной техники. От качества магнитных материалов зависят габариты электрических машин и их мощность на единицу веса.

Чтобы понять, что происходит в веществе при помещении его в магнитное поле, рассмотрим сначала кратко основные характеристики магнитного поля, а затем - процессы намагничивания вещества.

Известно, что движущиеся электрические заряды создают вокруг себя особый вид материи - магнитное поле. Магнитное поле обладает энергией и способно проникать через многие вещества и через вакуум. В качестве основной количественной оценки магнитного поля принято считать плотность магнитного потока - магнитную индукцию B. В системе СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). Магнитная индукция - векторная величина, которая в каждой точке поля имеет свою величину и направление. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, помещенной в данную точку магнитного поля.

Ферромагнитные вещества

Вещества, для которых относительная магнитная проницаемость > > 1, называют ферромагнетиками. К ферромагнетикам относится технически чистое железо (Fe) и его сплавы. Cплавы железа с углеродом и добавками различных элементов (кремния, никеля, кобальта, хрома и молибдена) называют электротехническими сталями.

Как уже ранее отмечалось, в соответствии с моделью Бора электроны в атомах вращаются по своим орбитам и вокруг своих осей. Результирующее движение электронов внутри атома или молекулы можно рассматривать как элементарные внутриатомные и внутримолекулярные токи, создающие элементарные магнитики. Магнитный момент электронов может принимать лишь определенные дискретные значения. Рассмотрим более подробно формирование электронных орбит.

Электроны в атомах занимают различные энергетические уровни, которые принято условно изображать в виде ряда оболочек и подоболочек (орбит), расположенных на различных расстояниях от ядра и содержащих определенное количество электронов (рис.5.4). В создании магнитного момента атома принимают участие не все его электроны, а только небольшая часть их. Это объясняется тем, что орбитальные и спиновые моменты части электронов имеют противоположные направления и взаимно компенсируют друг друга, вследствие чего эти электроны становятся нейтральными в магнитном отношении. У атомов с полностью заполненными оболочками результирующий орбитальный и спиновый (торсионный) магнитные моменты равны нулю.

Электроны в атоме всегда стремятся занять места в оболочках и подоболочках, лежащих ближе к ядру, как более выгодных в энергетическом отношении. Поэтому при образовании электронных оболочек атома сначала, как правило, заполняются оболочки и подоболочки, расположенные ближе к ядру, а затем уже и более удаленные. Однако у некоторых атомов, относящихся к так называемым переходным элементам, эта последовательность заполнения оболочек нарушается. У них к началу образования следующей оболочки число электронов на предыдущей оболочке не достигает своего максимальнеого значения n, равного 2n², где n – номер оболочки.

На рис. 5.4 показаны оболочки и подоболочки в изолированном атоме железа. В каждой подоболочке указано число электронов с положительными спинами (электроны белого цвета) и отрицательными спинами (электроны темного цвета). Если оболочка или подоболочка полностью достроена, то в ней число положительных спинов равно числу отрицательных спинов. В атоме железа не заполнена предпоследняя подоболочка (5d). У этой подоболочки имеется 5 электронов с положительными спинами и 1 электрон с отрицательным спином. Таким образом, в подоболочке недостает четырех электронов с отрицательными спинами. Эти 4 нескомпенсированных спина незаполненной подоболочки 5d являются элементарными «магнитиками» и создают результирующий магнитный момент атома железа.

Наружные валентные электроны не могут служить источником сильного магнитного момента даже в том случае, когда их спины не скомпенсированы, как это имеет место, например, у меди. Это объясняется слабой связью валентных электронов с ядром и их легкой подверженностью воздействиям со стороны электронов соседних атомов в процессе образования молекул и кристаллов. При этих взаимодействиях магнитные моменты свободных валентных электронов взаимно компенсируются.

Таким образом, первым необходимым условием существования ферромагнетизма является наличие у атомов железа внутренней недостроенной электронной оболочки.

Вторым условием возникновения ферромагнетизма является наличие сильного электрического взаимодействия между электронами соседних атомов, способного ориентировать их нескомпенсированные спиновые моменты одинаковым образом. Эти моменты, складываясь, вызывают появление самопроизвольной намагниченности вещества даже при отсутствии внешнего магнитного поля, что является наиболее характерным признаком ферромагнетизма. Это возможно, если отношение межатомного расстояния к радиусу незаполненной оболочки больше 5-х.

Вопросы для самопроверки

Что такое В_r и Н_с и как они определяются?

Какие потери существуют в магнитных материалах и как они определяются?

Как потери в сердечнике зависят от магнитной индукции?

Что такое _r и как она зависит от Н?

Чему равна магнитная постоянная ₀?

Что такое предельный и частный гистерезисный цикл?

Как устанавливается масштаб по Y, по Х?

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 Следующая ⇒