"Физические явления при контакте твердых тел" - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

При образовании кристаллической решетки металла внешние валентные электроны оказываются настолько слабо связанными со своими ядрами, что под воздействием соседних атомов они могут свободно переходить на внешние орбиты этих атомов и передвигаться по кристаллу. При этом атомы превращаются в положительные ионы и распределяются в узлах кристаллической решетки, а свободные электроны, перемещающиеся в пространстве между узлами кристаллической решетки, обуславливают электропроводность металлов. Движение электронов внутри металла определяется силами взаимодействия электронов с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. При температуре абсолютного нуля и отсутствии каких-либо внешних воздействий эти силы практически уравновешены и электроны внутри металла двигаются хаотически. Это равновесие нарушается лишь у поверхности металла, где образуется поле двойного электрического слоя. Первый слой образуется электронами, выходящими из металла (электронное облако), а второй - ионами поверхностного слоя. Поле двойного электрического слоя препятствует дальнейшему выходу электронов из металла, но при увеличении температуры появляются электроны, способные преодолеть его. Эти электроны теряют свою кинетическую энергию, но их потенциальная энергия растет. Если суммировать все препятствующие силы двойного электрического слоя и назвать их потенциалом пространства, то можно ввести понятие потенциального барьера. Высота потенциального барьера определяет тот минимум энергии, который необходим электрону для выхода из металла. Электрон, обладая некоторым запасом энергии, должен получить дополнительную энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер и осуществить работу выхода. Явление испускания электронов твердыми телами называется эмиссией электронов. Работа выхода выражается через потенциал, который определяется разницей между высотой потенциального барьера и потенциалом валентного электрона. Эта разница потенциалов (работа выхода) зависит от толщины электронной оболочки, которая в свою очередь определяется природными свойствами кристаллической решетки конкретного металла.

Основной электрической характеристикой, по которой вещество может быть отнесено к классу проводников, изоляторов и полупроводников является удельная электропроводность:

Для металлов 105-106Ом*см

Для изоляторов 10-10-10-15Ом*см.

Полупроводниками называются вещества, имеющие удельное электрическое сопротивление в пределах 10-1-10-4Ом*см и занимающие по электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Объясняется это зонной теорией.

При образовании кристалла энергетические уровни атомов расщепляются, что приводит к образованию зон. Электроны в полупроводнике могут иметь некоторые фиксированные значения энергии или, как говорят, занимают определенные энергетические уровни, образующие области близкорасположенных дискретных значений полной энергии электронов - разрешенные энергетические зоны. Разрешенные энергетические зоны разделены интервалами энергий, которыми электроны не могут обладать и которые называются запрещенными энергетическими зонами. При температуре абсолютного нуля электроны заполняют самые нижние разрешенные уровни, где их энергия минимальна. Вышележащие зоны остаются пустыми. Верхняя из полностью заполненных электронами разрешенных зон полупроводника называется валентной, а следующая за ней незаполненная - зоной проводимости (зона свободных электронов).

Для перехода из валентной зоны в зону проводимости носитель должен приобрести энергию достаточную для преодоления запрещенной зоны. Минимальное значение этой энергии равно ширине запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны различна у разных материалов и зависит от температуры:

энергетическая (зонная) диаграмма

Рис.1 Энергетическая (зонная) диаграмма

Для Ge ДE=0,72 эВ (электрон-Вольт)

Для Si ДE=1,12 эВ

Для GaAs ДE=1,43 эВ

Ширина запрещенной зоны в металлах практически равна 0, т. е.число свободных электронов велико, что и обеспечивает их высокую электропроводность. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках настолько велика (ДE>4эВ), что при обычных условиях электроны проводимости практически отсутствуют.

Рис.2 Энергетическая диаграмма для полупроводников n - типа.

энергетическая диаграмма для полупроводников p - типа

Рис.3 Энергетическая диаграмма для полупроводников p - типа.

Отличие полупроводников от проводников не количественное, а качественное, связанное со строением и физическими свойствами материалов. Увеличение температуры приводит к уменьшению сопротивления, а для проводников к увеличению.

Сопротивление полупроводников зависит от:

Температуры,

Наличия примесей

Освещенности

Механического давления

Рентгеновского излучения и т. д.

Качественно зависимость проводимости от внешних условий можно представить как:

При изменении температуры на 1 градус удельное сопротивление меняется на 5-6 %.

Введение примесей изменяет проводимость полупроводников

Если добавить 10-5% примеси, то сопротивление уменьшается в 200 раз.

Наиболее типичными полупроводниковыми материалами являются германий и кремний. Особые свойства полупроводников проявляются только при рассмотрении кристаллической структуры. Далее предполагается, что все процессы происходят в идеальных (или близких к идеальным) кристаллах.

Монокристаллическая структура Ge и Si называется тетраэдром, в ней атомы размещаются в узлах кристаллической решетки, а каждый атом связан с четырьмя соседними ковалентной связью. На внешней электронной оболочке 4 электрона.

На рис.4 приведено условное расположение атомов в кристалле кремния.

В твердом теле атомы находятся друг от друга на расстоянии порядка атомного размера, поэтому в нем валентные электроны могут переходить от одного атома к другому. Однако этот процесс не приводит непосредственно к электропроводности, так как в целом распределение электронной плотности жестко фиксировано, Например, в германии и кремнии два электрона осуществляют ковалентную связь между двумя соседними атомами в кристалле. Чтобы создать проводимость, необходимо разорвать хотя бы одну из связей, удалить с нее электрон и перенести его в какую-либо другую ячейку кристалла, где все связи заполнены, и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем переходит из ячейки в ячейку. Являясь лишним, он переносит с собой излишний отрицательный заряд, т. е. становится электроном проводимости.

кристаллическая структура кремния

Рис.4 Кристаллическая структура кремния

Разорванная связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, поскольку электрон соседней связи быстро занимает место ушедшего. Недостаток электрона у одной из связей означает наличие у пары атомов единичного положительного заряда, который переносится вместе с дыркой. Электроны и дырки - свободные носители заряда в полупроводниках. В идеальных кристаллах, не имеющих ни примесей, ни дефектов, возбуждение одного из связанных электронов и превращение его в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки, так что концентрации обоих типов носителей равны между собой.

P-n переход.

При металлургическом контакте полупроводников p и n типа на их границе (металлургическая граница) возникает область, которую называют p - n переходом.

При металлургическом контакте через границу раздела начинается диффузия основных носителей заряда. Дырок из p > n и з из области n > p. Ионы образуют области объемного заряда - в P и + в N.

Объемные заряды образуют электрическое поле, препятствующее дальнейшему движению основных носителей заряда. Этот двойной электрический слой создает электрическое поле, которое приводит к образованию дрейфового тока, направленного навстречу диффузионному. Таки образом, основные носители заряда образуют диффузионную составляющую тока через p-n переход, а неосновные носители - дрейфовую. Эти составляющие равны по модулю и противоположны по направлению. Поэтому суммарный ток = 0 без воздействия внешнего поля.

P - n переход под действием внешнего напряжения.

Прямое смещение p - n перехода:

При прямом смещении p - n перехода внешним напряжением через малое сопротивление областей p - n перехода (к области объемного заряда). Т. к. эта область обладает большим сопротивлением т. к. в ней нет свободных носителей заряда.

Это внешнее напряжение понижает высоту потенциального барьера, уменьшает размеры p - n перехода, что приводит к увеличению диффузионной составляющей тока, то есть к увеличению тока основного носителя заряда.

Дрейфовая составляющая практически не изменяется, т. к. она зависит от неосновных носителей заряда, число которых постоянно при данной температуре и не зависит от внешнего напряжения.

Диффузионная составляющая резко изменяется при изменении внешнего напряжения т. к. число дырок и электронов, способных преодолеть уменьшающийся потенциальный барьер возрастает экспоненциально.

При этом во внешней цепи протекает ток, совпадающий с диффузионной составляющей тока и практически равной ему.

P - n переход при обратном смещении.

При обратном смещении p - n перехода область объемного заряда увеличивается, ширина p - n перехода возрастает, уменьшая число основных носителей заряда, способных преодолеть возросший барьер, уменьшается диффузионная составляющая тока через p - n переход.

И уже при малых обратных напряжениях она практически равна нулю.

Через p - n переход протекает только дрейфовая составляющая тока, обусловленная неосновными носителями заряда. Т. О, ток через p - n переход зависит от полярности внешнего напряжения и значением этого напряжения. При прямом смещении этот ток резко возрастает, а при обратном смещении он пренебрежимо мал.

Это свойство p - n перехода называют выпрямительным (вентильным) свойством p - n перехода.

Вольт - Амперная характеристика p - n перехода.

Похожие статьи




"Физические явления при контакте твердых тел" - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Предыдущая | Следующая