Структура полупроводника, влияние примеси и температуры на его проводимость - Основные свойства полупроводников
Само название "полупроводник" произошло от различия электропроводности полупроводников от электропроводности металлов и диэлектриков.
Действительно
Но этот признак не является решающим в классификации.
Основными свойствами, отличающими полупроводники от других твердых тел, являются следующие:
Характер и величина зависимости электропроводности от температуры. Проводимость полупроводников возрастает с увеличением температуры по экспоненциальному закону
(на 1° Кельвин)
У металлов увеличение температуры приводит к уменьшению проводимости.
Сильное влияние примеси на проводимость. Что значит сильнее? Концентрация примеси, % уже существенно увеличивает проводимость. У металлов же введение примеси уменьшает проводимость. Почему?
Высокая чувствительность электрических свойств полупроводников к всякого рода внешним воздействиям (механическая деформация, облучение светом, рентгеновскими лучами или быстрыми частицами и др.).
В электронике находят применение ограниченное число полупроводников. Это германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия и др.
Кристаллическая структура полупроводников и зонная теория
1. Применяемые в технике полупроводники имеют весьма совершенную кристаллическую структуру - атомы размещены в пространстве на постоянных расстояниях, образуя кристаллическую решетку. Такие полупроводники, как германий и кремний имеют структуру типа алмаза, в которой каждый атом окружен такими же атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Плотность размещения атомов для германия 4,45-1022 1/см3, для кремния - 5-1022 см -3.
Каждый атом в кристаллической решетке или электрически нейтрален и связан ковалентными (парно-электронными) связями с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. В полупроводниках типа ионно-ковалентная связь. Валентные электроны распределяются между соседними атомами. В результате каждый атом окружен стабильной группой из восьми электронов связи.
2. Если не нужно выделять кристаллографического направления, такую решетку изображают на плоскости (рисунок ).
Рисунок Кристаллическая решетка, изображенная на плоскости
Это идеальная решетка. При все узлы заняты, все связи заполнены. Свободных носителей заряда нет.
3. С точки зрения зонной теории твердого тела, такой кристалл изображается энергетической диаграммой, представленной на рисунке 1.2.
Рисунок - Энергетическая диаграмма полупроводников
Рисунок - Зависимость функции распределения электронов от энергии при Т=0 К
Заполнение энергетических уровней электронами подчиняется статистике Ферми-Дирака, в основе которой лежат следующие положения:
Все электроны тождественны;
Выполняется принцип Паули;
Функция распределения, т. е. вероятность заполнения уровня с энергией W имеет следующий вид:
Где - энергия Ферми, смысл-уровень энергии, вероятность заполнения которого равна.
По определению функция распределения есть отношение числа частиц с энергией в интервале от W до W+dW к числу возможных состояний в этом же интервале энергий N(W), т. е.
При (обычный случай для полупроводников, используемых для приборов) единицей в знаменателе функции распределения Ферми-Дирака можно пренебречь, и функция принимает вид
Зная функцию распределения и можно определить число частиц с определенной энергией:
Где k - постоянная Больцмана.
При T=0 (рисунок 1.3) валентная зона полностью заполнена f(W)=1 (это электроны, участвующие в ковалентных связях); зона проводимости пустая f(W)=0 (свободных носителей заряда нет), ?W - ширина запрещенной зоны. Уровень Ферми расположен строго посередине запрещенной зоны.
Верхняя, не полностью заполненная, энергетическая зона в полупроводниках получила название зоны проводимости. Следующая за ней энергетическая зона получила название валентной зоны. Энергетическая щель запрещенных состояний между этими зонами называется запрещенной зоной. На зонных диаграммах положение дна зоны проводимости обозначают значком Ec, положение вершины валентной зоны - Ev, а ширину запрещенной зоны - Eg.
Поскольку в полупроводниках ширина запрещенной зоны меняется в широком диапазоне, то вследствие этого в значительной мере меняется их удельная проводимость. По этой причине полупроводники классифицируют как вещества, имеющие при комнатной температуре удельную электрическую проводимость ? от 10-8 до 106 Ом-см, которая зависит в сильной степени от вида и количества примесей, структуры вещества и внешних условий: температуры, освещения (радиации), электрических и магнитных полей и т. д. Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей и от различных дефектов кристаллической решетки: пустых узлов, атомов или ионов, находящихся между узлами решетки и т. д. Примеси делятся на акцепторные и донарные.
Акцепторные примеси: атомы акцепторных примесей принимают один или несколько электронов, превращаясь в отрицательный ион. Например, для четырехвалентных атомов кремния и германия акцепторным является трехвалентный атом индия (In). В результате внедрения атома индия в кристалл между атомом индия и четырьмя атомами кремния образуется устойчивая восьмиэлектронная оболочка за счет дополнительного электрона, отобранного у одного из соседних атомов полупроводника. На месте ушедшего электрона образуется дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порожденным термогенерацией. Таким образом, полупроводник будет обладать преимущественно дырочной электропроводностью. Такой полупроводник называют полупроводником р-типа. Акцепторные примесные уровни расположены вблизи валентной зоны, выше нее на = 0.01...0.05 эB.
Донорные примеси: атомы донорных примесей имеют валентные электроны, слабо связанные со своим ядром. Эти электроны могут легко перейти в зону проводимости полупроводника, в который внедрен атом донорной примеси. При этом атом донорной примеси превращается в положительный ион, а его электрон добавляется к свободным электронам собственной электропроводности.
Донорный уровень находится в верхней части запрещенной зоны полупроводника. Переход электрона с донорного уровня в зону проводимости происходит в случае приобретения им небольшой дополнительной энергии. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок и полупроводник тогда обладает преимущественно электронной электропроводностью. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа.
Например, для кремния и германия донором будет атом пятивалентной сурьмы (Sb): его четыре валентных электрона вступают в ковалентную связь с четырьмя электронами атомов полупроводника и оказываются в связанном состоянии. Оставшийся пятый электрон сурьмы оказывается свободным.
Влияние температуры на электрофизические параметры полупроводников в основном проявляются в изменении концентрации носителей заряда, что приводит к соответствующему изменению электрической проводимости.
На этом принципе работают полупроводниковые терморезисторы.
Увеличение проводимости полупроводника с повышением температуры является их характерной особенностью (у металлов с повышением температуры проводимость уменьшается).
Похожие статьи
-
Для целенаправленного изменения свойств полупроводники легируют, т. е. вводят в небольшом количестве атомы примесей, позволяющие управлять типом...
-
"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...
-
Микросхема диэлектрический биполярный полупроводниковый Полупроводниковая ИС - это микросхема, которая представляет собой кристалл полупроводника, в...
-
Влияние точности выполнения зеркальной антенны на ее направленные свойства - Параболическая антенна
Неточности, неизбежные при создании конструкции антенны (например; при выполнении поверхности зеркала, установке облучателя), вызывают отношение,...
-
Таблица 4.1. Основные свойства любой тормозной жидкости зависят от сочетания ее компонентов Стандарт Точка кипения (свежая/сухая), °С Точка кипения...
-
Система управления преобразовательным устройством предназначена для формирования и генерирования управляющих импульсов определенной формы и длительности,...
-
Второй эксперимент проводился аналогично первому, только фиксировалось допустимое вносимое затухание в линию в зависимости от скорости передаваемой...
-
Основные конструктивные узлы магнетрона, Анодная система - Многорезонаторный магнетрон
Рисунок 1.1. Устройство многорезонаторного магнетрона: 1 - анодная система; 2 - полые колебательные контуры; 3 - пространство взаимодействия; 4 -...
-
Физика полупроводниковых структур - Основы микроэлектроники
В полупроводниках существует два основных механизма переноса носителей заряда: 1) Диффузия - направленное перемещение носителей заряда в кристалле в...
-
Физические процессы в р-n-переходе Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n-переход),...
-
Основные схемы включения операционных усилителей - Разработка дифференциального усилителя
Рассмотрим некоторые виды ОУ наиболее часто встречающиеся в линейных схемах. Линейность схемы определяется зависимостью входного и выходного сигнала т....
-
Простейший вид излучения - монохроматическое, т. е. излучение характеризуемое очень узким интервалом длин волн. 1- (1 при 0. Монохроматическое излучение...
-
В громадном большинстве полупроводниковых приборов используется р-п переход (только иногда р-п переход не нужен, например, в фотосопротивлениях, или...
-
Скорость света: . Фазовая скорость распространения электромагнитных волн (ЭМВ) в произвольной среде: , Где --=-- _ - ,-- --=-- _ - ,...
-
После формирования кремниевой подложки наступает этап создания сложнейшей полупроводниковой структуры. Для этого в кремний нужно внедрить так называемые...
-
Передаточной функцией называется отношение изображения по Лапласу выходной функции (в данной курсовой работе ) к изображению по Лапласу входной функции...
-
Для производства Многослойных печатных плат используются различные стеклотекстолиты по условию технического задания устройство должно работать в условиях...
-
Основные светотехнические величины, Обоснование системы освещения и типа светильников - IP-телефония
Это понятие связано с той или иной осветительной установкой Рисунок 4 Геометрические параметры, используемые в светотехнике Таблица 1 Основные...
-
В данном курсовом проекте необходимо рассмотреть вопросы планирования и взаимодействия сетей сотовой связи. Это будет проиллюстрировано на примерах:...
-
Пожарная безопасность Основные правила пожарной безопасности Воздействие пламени на полимерные материалы при пожаре может привести к ряду отрицательных...
-
Расчет температур контактных проводов и токов фидеров - Электрификация участка железной дороги
Для расчета температур нагрева проводов в месте присоединения фидеров подстанций необходимо знать: ток поезда при следовании по межподстанционным зонам в...
-
Влияние геомагнитного поля на организм человека - Многорезонаторный магнетрон
У человека при кратковременном его пребывании в немагнитной (гипомагнитной) среде немедленно изменяется реакция центральной нервной системы. Циркадный...
-
Точностные параметры - Основные параметры линейных стабилизаторов напряжения
Основное назначение стабилизаторов - поддерживать выходное напряжение неизменным, равным номинальному значению в условиях изменяющегося входного...
-
Это понятие связано с той или иной осветительной установкой. Рисунок Геометрические параметры, используемые в светотехнике Таблица 1 Основные...
-
Экологическая экспертиза Экологическая экспертиза включает в себя оценку воздействия проектируемой сисстемы телекоммуникаций на окружающую среду. В...
-
Проблемы физической передачи данных по линиям связи - Основные проблемы построения сетей
Даже при рассмотрении простейшей сети, состоящей всего из двух машин, можно увидеть многие проблемы, присущие любой вычислительной сети, в том числе...
-
Простейший случай взаимодействия двух компьютеров - Основные проблемы построения сетей
В самом простом случае взаимодействие компьютеров может быть реализовано с помощью тех же самых средств, которые используются для взаимодействия...
-
Экологическая экспертиза Экологическая экспертиза включает в себя оценку воздействия проектируемой сисстемы телекоммуникаций на окружающую среду. В...
-
Цель и особенности основных видов испытаний ВОК - Методы испытания волоконно-оптических кабелей
Как указывалось выше, при прокладке и монтаже кабель подвергается минимально двукратному изгибу, поэтому при испытаниях он должен выдержать также минимум...
-
Первичным измерительным преобразователем термоэлектрического термометра (ТТ) служит термопара, которая состоит из двух разнородных проводников (рис.3)....
-
Целью данного курсового проекта является разработка интегрирующего усилителя с выходным каскадом на транзисторах и проведение графоаналитического расчета...
-
Обзор подобных схем - Разработка измерителя температуры охлаждающей жидкости
Основные требования предъявляемые к индикатору измерителя охлаждающей жидкости это точность измерений и высокая надежность. Принцип работы штатного...
-
Випалювання цегли. - Розрахунок автоматизованої системи управління температурою в тунельній печі
Випалювання цеглини проводиться в тунельній печі з плоским зведенням і верхнім розташуванням пальників. Таблиця 4. Технічна характеристика тунельної...
-
Введение - Разработка комплекса приборов для измерения температур
Существуют два основных способа для измерения температур - контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте...
-
В результате анализа различных вариантов построения цифровых сотовых систем подвижной связи (ССПС) в стандарте GSM принят многостанционный доступ с...
-
Следующим типом интегрирующего АЦП с частотно-импульсным преобразованием, принцип работы которого основан на предварительном преобразовании входного...
-
Рецептор - объект, который находится под воздействием электромагнитных помех. Внутри РЭС рецепторами выступают маломощные чувствительные элементы и узлы...
-
Прямое и обратное включение p-n-перехода. Свойства и потенциальные диаграммы. - Основы техники связи
Рис. А. Схема движения электронов и дырок при прямом (а) и обратном (б) включении p-n - перехода Рис. B. Схема движения электронов и дырок при прямом (а)...
-
Влияние сети на показатели качества IP-телефонии - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Задержка создает неудобство при ведении диалога, приводит к перекрытию разговоров и возникновению эхо. Эхо возникает в случае, когда отраженный речевой...
-
13. Уголь принимается от железных дорог только маршрутами одной марки, а антрациты - не более четырех марок в маршруте. Прием маршрутов с углем...
Структура полупроводника, влияние примеси и температуры на его проводимость - Основные свойства полупроводников