Аналоговые приборы
Лекция 8
8.1 Теория электропроводности полупроводников
Электроны в изолированных атомах могут обладать только строго определенными значениями энергии или, как говорят, находиться только на определенных (разрешенных) энергетических уровнях. На одном энергетическом уровне могут одновременно находиться не более двух электронов (рис. 98.1), отличающихся магнитными моментами (принцип Паули).
В
нормальном состоянии атома электроны занимают уровни с наименьшей энергией,
ближе к ядру атома, а более высокие энергетические уровни остаются свободными.
Электрон переходит с низкого уровня на более высокий свободный энергетический
уровень, если получит извне порцию (квант) энергии, который равен разнице между
указанными уровнями.
Такой переход называется возбуждением электрона, а атом с таким электроном называется возбужденным. После этого возбужденный электрон или покидает атом, что ведет к ионизации последнего, или опускается на более низкий незанятый энергетический уровень с выделением кванта энергии в виде электромагнитного излучения.
Рис 8.1. Схематическая модель атома
Атомы любого вещества электрически нейтральны. Если приложить электрическое поле к объему, в котором находятся только нейтральные частицы, то электрический ток не потечет. Например, воздух – не пропускает электрический ток и является изолятором. Таким же изолятором будет объем, заполненный газом нейтральных атомов серебра и меди, золота и ртути или других веществ, которые в твердом состоянии являются проводниками.
Более того, в зависимости от кристаллической решетки твердого тела, в которую соединились атомы одного и того же вещества, они могут образовать проводник или изолятор, например, из углерода – графит или алмаз соответственно.
Таким образом, электропроводность вещества зависит от типа связей, объединяющих его атомы в кристаллическую решетку твердого тела.
При образовании твердого тела также соблюдается принцип Паули. Поэтому, разрешенные энергетические уровни атомов при их кристаллизации расщепляются, образуя большое количество подуровней, отличающиеся друг от друга на очень малые величины энергии. Электроны, принадлежащие соседним атомам и образующие связи между ними, принадлежат разным подуровням, число которых равно количеству соседних взаимодействующих атомов. Подуровни образуют энергетические зоны.
Электропроводность существует, если электроны могут перейти в зону с незанятыми энергетическими уровнями, которую называют зоной свободных электронов (ЗСЭ), зоной возбуждения или проводимости. Электроны, обеспечивающие связь атомов в кристаллическую решетку, образуют зону валентных электронов (ЗВЭ). Эта зона разделена с зоной проводимости запрещенной зоной (ЗЗ), в которой электронов нет. Ее ширина зависит от энергии связи DW, необходимой для разрыва электронных связей между атомами кристаллической решетки и создания свободных носителей заряда (рис. 8.2).
Значение энергии DW измеряют в электрон-вольтах (эВ), 1 эВ равен 1,6·10-19 Дж, или энергии, приобретаемой электроном при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в один вольт.
Рис 8.2. Структура энергетических зон твердых тел
У металлов, которые являются проводниками, при образовании кристаллической решетки каждый атом теряет валентный электрон и превращается в положительно заряженный ион. Электроны становятся свободными, обобществляются всем объемом металла, и могут передвигаться под действием внешнего электрического поля. Величина DW = 0. Этим объясняется высокая электропроводность и теплопроводность металлов.
У изоляторов все валентные электроны участвуют в образовании кристаллической решетки, и свободных электронов практически нет. Значение DW > 4 эВ.
Электропроводность хороших проводников и изоляторов различается во столько же раз (~1022), как размер нашей Галактики и 1 сантиметр.
Кристалл полупроводника состоит из атомов, каждый из которых связан с соседними атомами электронными (ковалентными) связями.
Например, в кристаллической решетке кремния Si каждый атом взаимодействует с четырьмя ближайшими соседями и вокруг него по замкнутым орбитам вращается восемь валентных электронов (рис. 8.3).
Четыре из них принадлежат данному атому, остальные он заимствовал у соседей по кристаллической решетке. Все электроны часть времени проводят около атома, которому они принадлежат, а другую часть у соседних атомов. В результате в среднем отрицательный заряд электронов вокруг каждого атома эквивалентен заряду четырех электронов, следовательно, атомы электрически нейтральны.
Рис.8.3 Кристаллическая структура
кремния на плоскости
Значение DW для типичных полупроводников лежит в пределах от нескольких десятых долей эВ до 2 – 3 эВ.
В основном в полупроводниковых приборах используются элементы четвертой группы периодической системы: германий (Ge), кремний (Si), селен (Se) и т.д.
Собственные полупроводники
Собственными называются полупроводники, в которых концентрация свободных носителей тока определяется только температурой и присущей данному полупроводнику величиной энергии связи DW. Примеси и дефекты кристаллической решетки отсутствуют.
Энергия хаотического теплового движения частиц, стремящегося разорвать электронные связи между атомами полупроводника:
 |
где: k – постоянная Больцмана (k = 8,6·10-5 эВ/К = 1,38·10-23 Дж/град), T – температура (К).
При T = 0 K все валентные электроны собственного полупроводника находятся в ковалентных связях, и электропроводность такого кристалла равна нулю.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
