Элементы физики твердого тела презентация

С точки зрения электропроводности все вещества могут быть разделены на металлы σ ≈(6⋅103÷6⋅105)Ом-1 см-1, полупроводники σ = 102÷10−9 Ом−1· см−1 и диэлектрики σ ≤ 10−10÷10−22 Ом−1· см−1. Качественное различие между металлами и полупроводниками (диэлектриками) состоит в характере зависимости удельной проводимости от температуры. У металлов с ростом температуры проводимость падает, а у полупроводников и диэлектриков растет. При Т → 0 К у чистых металлов σ → ∞, а у полупроводников и диэлектриков при Т → 0 К проводимость стремится к нулю σ → → 0. Качественного различия между полупроводниками и диэлектриками в отношении электропроводности, пожалуй, нет. Проявление у одних веществ металлических свойств, а у других полупроводниковых и диэлектрических может быть последовательно объяснено только в рамках квантовой теории.

Зонная модель твердого тела
Схема формирования энергетических зон
Уровни изолированного атома
Расщепление уровней при сближении атомов (принцип Паули)
Пока атомы изолированы друг от друга, они имеют полностью совпадающие схемы энергетических уровней. Заполнение уровней электронами осуществляется в каждом атоме независимо от заполнения аналогичных уровней в других атомах.
По мере сближения атомов между ними возникает все усиливающееся взаимодействие, которое приводит к изменению положения уровней. Вместо одного уровня одинакового для всех N атомов возникают N очень близких, но не совпадающих уровней. Таким образом, каждый уровень изолированного атома расщепляется в твердом теле на N густо расположенных уровней, образующих полосу или зону.
Расстояние между атомами
Энергия уровней

Зонная классификация твердых тел

МЕТАЛЛЫ
Тип А. Валентная зона заполнена полностью, но запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости отсутствует, то есть зоны перекрыты В этом случае электроны беспрепятственно могут переходить из валентной зоны в свободную зону проводимости. Такой кристалл будет хорошо проводить электрический ток, и эго электропроводность слабо зависит от температуры. Этот случай соответствует металлам, состоящим из двухвалентных атомов.
Тип Б. Валентная зона заполнена не полностью. При приложении к такому кристаллу электрического поля, электроны получают от него энергию и могут переходить на более высокие энергетические уровни в соответствующей зоне. Валентная зона заполнена частично, и в ней переходы электронов будут происходить беспрепятственно, что обеспечивает прохождение электрического тока при любой температуре. Такие кристаллы относятся к проводникам, и этот случай реализуется, например для одновалентных металлов типа натрия.

ДИЭЛЕКТРИКИ
Тип В. Валентная зона заполнена электронами полностью и не перекрыта со свободной зоной проводимости. Перемещение электронов под действием электрического поля не может происходить, пока каким-либо способом не будет переведена часть электронов из валентной зоны в зону проводимости, преодолев запрещенную зону. Такие кристаллы принято относить к диэлектрикам. Условно принято считать, что кристаллы такого типа будут диэлектриками, если ширина запрещенной зоны Ез=En - Ec > 2эВ.

ПОЛУПРОВОДНИКИ
Тип Г. Этот случай отличается от типа В только шириной запрещенной зоны. Если ширина запрещенной зоны меньше 2 эВ, то при температурах порядка Т=300 К часть электронов за счет теплового движения переходят в свободную зону проводимости и под действием электрического поля могут перемещаться в кристалле. Этот случай описывает кристаллы, электропроводность которых повышается при увеличении температуры. Такие кристаллы принято называть полупроводниками.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ

Различают собственные и примесные полупроводники. К числу собственных полупроводников относятся технически чистые полупроводники.
Электрические свойства примесных полупроводников определяются имеющимися в них искуственно вводимыми примесями.
Полупроводники

Проводимость полупроводников имеет две составляющие: электронную и дырочную. Выясним физический смысл понятия «дырка».

Строение полупроводников
( на примере кремния)
1
2
3
4
Кремний – четырехвалентный элемент,
во внешней оболочке – четыре электрона.
Каждый атом связан с четырьмя соседними
Каждая пара соседних атомов
взаимодействует с помощью парноэлектронной связи .
От каждого атома в ее образовании участвует один электрон.
Любой валентный электрон может двигаться по любой из четырех связей
атома, а , дойдя до соседнего, двигаться по его связям, т.е по всему кристаллу.
Парноэлектронные связи достаточно прочны и при низких температурах
не разрываются, поэтому при низких температурах кремний не проводит ток.

Собственная проводимость полупроводников
При повышении температуры отдельные связи разрываются, электроны
становятся «свободными», в электрическом поле они перемещаются
упорядоченно, образуя ток. При увеличении температуры от 300 К до 700 К
их число возрастает в 107 раз.
При разрыве связи образуется вакантное место , которое называют дыркой.
В дырке имеется избыточный положительный заряд.
+
+
+
+
Е

Положение дырки в кристалле постоянно меняется. Этот процесс протекает так :
Один из электронов,
обеспечивающих связь атомов,
перескакивает на место дырки,
восстанавливает парноэлектронную связь , а там, где он находился, образуется дырка.
Если Е = 0, то перемещение дырок беспорядочно, поэтому
не создает тока.
Если Е ≠ 0, то движение дырок
становится упорядоченным , и к
электрическому току, образованному движением электронов, добавляется ток, связанный с перемещением дырок.
Вывод:
в полупроводниках имеются
носители зарядов двух типов :
электроны и дырки.
Проводимость чистых полупроводников называется
собственной проводимостью полупроводников
Собственная проводимость полупроводников обычно невелика.

СОБСТВЕННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ
Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. В зоне проводимости появляется некоторое количество электронов, в валентной зоне появляется такое же количество дырок. Распределение электронов по уровням валентной зоны и зоны проводимости описывается функцией Ферми-Дирака.

Электрическая проводимость полупроводников
при наличии примесей
ПРИМЕСИ
ДОНОРНЫЕ
АКЦЕПТОРНЫЕ
Примеси, легко отдающие
электроны, увеличивающие количество свободных электронов.
Атом мышьяка имеет 5 валентных
электронов, 4 из которых участвуют
в образовании парноэлектронных
связей, а пятый становится свободным.
Полупроводники , содержащие
донорные примеси, называются
полупроводниками п – типа
от слова negative – отрицательный
Примеси, легко принимающие
электроны, увеличивающие количество дырок.
Атом индия имеет 3 валентных
электрона, которые участвуют
в образовании парноэлектронных
связей, а для образования четвертой электрона недостает,
в результате образуется дырка.
Полупроводники , содержащие
акцепторные примеси, называются
полупроводниками р – типа
от слова positive – положительный

ЗАПОЛНЕНИЕ ЭЛЕКТРОНАМИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ
Примесные полупроводники отличаются наличием в узлах решетки атомов посторонних примесей или других дефектов
Примесные уровни,
передающие электроны в зону
проводимости называют
донорными уровнями,
а полупроводник - донором
Примесные уровни,
на которые могут переходить
электроны валентной зоны,
называют акцепторными уровнями,
а полупроводник - акцептором

Схема зонной структуры полупроводника
Характерные энергии:
Ес – дно зоны проводимости ≡ потолок запрещенной зоны;
Еg – ширина запрещенной зоны;
Еv – потолок валентной зоны ≡ дно запрещенной зоны;
Еf - энергия уровня Ферми;
Еd – энергия донорного уровня;
Еа – энергия акцепторного уровня;

21
КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
концентрации свободных электронов и дырок в состоянии теплового равновесия в полупроводнике n-типа :
концентрации свободных электронов и дырок в состоянии теплового равновесия в полупроводнике p-типа :
введение в полупроводник примесей приводит к увеличению концентрации одних носителей заряда и пропорциональному уменьшению концентрации других носителей заряда за счет роста вероятности их рекомбинации.
для полупроводника р-типа выполняется неравенство
для полупроводника n-типа выполняется неравенство
Уровень Ферми полупроводника n-типа
Уровень Ферми полупроводника р-типа

КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Повышение температуры приводит к термическому возбуждению
для полупроводника n-типа - переходу электронов в зону проводимости, для полупроводника p-типа – к переходу электронов на примесные уровни и формированию в валентной зоне дополнительных вакансий
для полупроводника n-типа
для полупроводника p-типа
донорный полупроводник
собственный полупроводник
Концентрация атомов примеси (донора)
Плотность возможных состояний в зоне проводимости
Энергия активации

Контакт электронного и дырочного полупроводников
В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.
В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов.
Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

Основные носители в р-области – это дырки, неосновные – электроны, в n-области – основными носителями являются электроны, неосновными – дырки..
При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область.
В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой.
В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой.
Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу

Если включить полупроводник с p-n переходом в электрическую цепь и направить внешнее электрическое поле вдоль поля, уже имеющегося в контакте, то это приведет к еще большему разделению электронов и дырок, и ток в цепи будет практически отсутствовать. Он будет определяться лишь термически равновесной ионизацией полупроводника и движением свободных зарядов по цепи, концентрация которых очень мала, а сопротивление контактного слоя p-n очень велико. Такое включение p-n перехода называется обратным.
Если изменить направление внешнего электрического поля и направить его от р- к n-области, против контактного поля Ек, то уже небольшое внешнее поле компенсирует контактное поле Ек и электроны и дырки начнут беспрепятственно проходить в обедненный слой и его сопротивление практически исчезнет. Ток через контакт будет проходить. Такое включение p-n перехода называется прямым.
Поэтому если включить p-n переход в цепь с напряжением, изменяющим свой знак, то при одном направлении поля ток через контакт будет проходить, а при другом – нет. В такой цепи произойдет выпрямление напряжения. На этом принципе работают полупроводниковые выпрямители