Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Кристаллическая решетка беспримесного (собственного) полупроводника
Нагревание полупроводника сопровождается возникновением тепловых колебаний атомов, образующих решетку, и передачей энергии находящимся в связях электронам. Процесс передачи носит статистический характер, в результате чего некоторые e-, получив достаточно большую энергию смогут разорвать связь и начать свободно перемещаться в кристаллической решетке (рис. 16.6) (рис. 30 б).
где Э - энергия уровня, вероятность заполнения которого определяется (1 Эв = е∙ 1в = 1.60219∙ 10-19Кл∙ 1в = 1.60219∙ 10-19 Дж). Эф - энергия уровня Ферми, вероятность заполнения которого равна 0.5 и относительно которого кривая вероятности симметрична.. Находясь на уровне Эф при ^ T=00К электрон обладает max энергией. Таким образом величина Эф определяет максимальное значение энергии, которую может иметь электрон в твердом теле при температуре абсолютного нуля, т.е. при T=00К в металле нет электронов с энергией > Эф. То есть энергия уровня Ферми соответствует верхней границе электронного распределения при T=00К, а также средней энергии " диапазона размытия" при любой другой температуре. Энергия Ферми или энергия электрохимического потенциала - работа, которую необходимо затратить для изменения числа частиц в системе на единицу при условии постоянства объема и температуры. Симметрия кривой вероятности заполнения относительно уровня Ферми означает одинаковую вероятность заполнения уровня электроном с энергией, большей на величину Э-Эф, и вероятность освобождения уровня от электрона с энергией на столько же меньшей энергии уровня Ферми. Потенциал φ ф, соответствующий уровню Эф φ ф=Эф/е [Дж/Кл] где e - заряд электрона (элементарный заряд) e=1.6*10-19Кл называется электрохимическим потенциалом. Рис. 16.7. Предположим, что в кристаллической решетке кремния Si (элемент IV группы) часть основных атомов замещена атомами мышьяка As (элемент V группы) ( рис.16.7). У Si -4 валентных электрона. У As -5 валентных электрона. Встраиваясь в узел решетки, атом As отдает 4 электрона на образование связей с ближайшими соседями (ковалентная связь), а пятый электрон оказывается лишним, т.е. не участвует в создании ковалентных связей. Из-за большой диэлектрической проницаемости среды (полупроводника) кулоновское притяжение этого лишнего электронаядром As в значительной мере ослаблено. Поэтому радиус электронной орбиты оказывается большим, охватывает несколько межатомных расстояний (рис. 16.7) (рис.40). Достаточно небольшого теплового возбуждения, чтобы оторвать избыточный электрон от примесного атома. Атом примеси, потерявший электрон, превращается в положительно заряженную частицу, неподвижно закрепленную в данном месте решетки. Это донорный атом. В отличие от беспримесного полупроводника образование свободного электрона здесь не сопровождается образованием дырки. Таким образом, примеси замещения, валентность которых превышает валентность основных атомов решетки проявляют свойства доноров (кроме As типичными донорами в кремнии и германии являются фосфор Р и сурьма Sb). Рис. 16.8. Если в кристаллическую решетку кремния внедрить примеси какого-нибудь трехвалентного элемента, например алюминия ( рис. 16.8), то видим, что для установления химических связей с четырьмя соседними атомами решетки у примесного атома не хватает одного электрона, вследствие чего одна ковалентная связь оказывается ненасыщенной, т.е. имеется свободная дырка. Потребность в установлении четырех химических связей приводит к тому, что атом алюминия может захватить недостающий электрон у одного из соседних атомов кремния. В результате примесный атом (акцептор) превращается в отрицательно заряженный ион. Для совершения такого акта надо затратить энергию, равную энергии ионизации акцепторов. Захваченный электрон локализуется на примесном атоме и не принимает участия в создании электрического тока, т.к. атом-акцептор достроил свою оболочку до устойчивого состояния. В свою очередь атом кремния, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом, вблизи которого имеется свободное энергетическое состояние - дырка. За счет эстафетного перехода электронов от одного атома к другому дырка может перемещаться по кристаллу ( рис. 16.8) (рис.41). Таким образом, примеси замещения, имеющие валентность меньше валентности основных атомов решетки, в ковалентных полупроводниках являются акцепторами. Помимо алюминия акцепторные свойства в кремнии и германии проявляют бор B, галлий Ga, индий In. Энергия ионизации акцепторов численно близка к энергии ионизации доноров. DЭД=DЭА Энергия ионизации примесных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных атомов полупроводника или ширины запрещенной зоны. Поэтому в примесных полупроводниках при низких температурах преобладают носители заряда, возникшие из-за ионизации примесей. Если электропроводность полупроводника обусловлена электронами, его называютполупроводником n-типа, если электропроводность обусловлена дырками - полупроводником p-типа. Обычно в полупроводниках присутствуют как доноры, так и акцепторы. Полупроводник, у которого концентрация доноров равна концентрации акцепторов, называют компенсированным. Популярное: |
Последнее изменение этой страницы: 2016-05-29; Просмотров: 1044; Нарушение авторского права страницы