14-04-2020-ЭЛЕКТРОНИКА-1.1-ГЛАЗАЧЕВ (1171923), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

е. электрон восстанавливает ковалентную связь. При рекомбинации электрона и дырки происходит высвобождение энергии. В зависимости от того, как расходуется эта энергия, рекомбинацию можно разделить на два вида: излучательную и безызлучательную.Излучательной является рекомбинация, при которой энергия, освобождающаяся при переходеэлектрона на более низкий энергетический уровень, излучается в виде кванта света – фотона.8А.В.

Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийПри безызлучательной рекомбинации избыточная энергия передается кристаллической решеткеполупроводника, т.е. избыточная энергия идет на образование фононов – квантов тепловой энергии.Следует отметить, что генерация пар носителей заряда «электрон – дырка» и появление собственной электропроводности полупроводника может происходить не только под действием тепловойэнергии, но и при любом другом способе энергетического воздействия на полупроводник – квантамилучистой энергии, ионизирующим излучением и т.д.1.4. Распределение электронов по энергетическим уровнямПри неизменном температурном состоянии полупроводника распределение электронов поэнергетическим уровням подчиняется квантовой статистике Ферми–Дирака.

С ее помощью можноопределить концентрацию электронов в зоне проводимости, дырок в валентной зоне и определитьзависимость удельной электропроводности полупроводника от температуры, наличия примесей идругих факторов.Вероятность заполнения электроном энергетического уровня W при температуре T определяется функцией распределения Ферми:1,(1.1)f n W  W WF1  e kTДж); WF – энерКгия уровня Ферми (средний энергетический уровень, вероятность заполнения которого равна 0,5где T – температура в градусах Кельвина; k – постоянная Больцмана (  1,38  10 23при T  0 К ).Соответственно функция 1  f n W  определяет вероятность того, что квантовое состояние с энергией E свободно от электрона, т.

е. занято дыркой1.(1.2)f p W   1  f n W  WF W1  e kTВид этих функций представлен на рис. 1.7. При температуре T  0 К функция распределения Ферми имеет сту-WT 0KWпWвпенчатый характер. Это означает, что при T  0 К все энергетические уровни, находящиеся выше уровня Ферми, свободны.При T  0 К увеличивается вероятность заполненияэлектроном энергетического уровня, расположенного вышеуровня Ферми. Поэтому ступенчатый характер функции распределения сменяется на более плавный в сравнительно узкой области энергий, близких к WF .T 0KWFfp01,01,00,5fn0Рис. 1.7. Распределение электроновпо энергетическим уровнямдля чистого полупроводника1.5. Примесная электропроводность полупроводниковЭлектропроводность полупроводника может обуславливаться не только генерацией пар носителей «электрон – дырка» вследствие какого-либо энергетического воздействия, но и введениемв структуру полупроводника определенных примесей.Примеси могут быть донорного и акцепторного типа.

Такую же роль, как примеси, могут игратьразличные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, дислокации или сдвиги, возникающие припластической деформации кристалла и т.д.9А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекций1.5.1. Донорные примесиДонор – это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электроном и способный в возбужденном состоянии отдать электрон в зону проводимости.Рассмотрим монокристалл полупроводника, например кремния, в кристаллическую решетку которого введено некоторое количество атомов примеси (рис.

1.8),например сурьмы ( Sb ), находящейся в V группе периодической системы элементов Менделеева. Атом примесирасполагается в узле кристаллической решетки, а его валентные электроны устанавливают прочные ковалентныесвязи с соседними атомами полупроводника. Но посколькуРис. 1.8. Структура полупроводникау атома сурьмы на наружной электронной оболочке нахос донорными примесямидятся пять валентных электронов, то четыре из них устанавливают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния, подобно существующим связям в основных атомахWкристаллической решетки, а пятыйвалентный электрон такой связиT 0KЗона проводимостиустановить не может, так как в атоWпмах кремния все свободные связиWFУровни доноров(уровни) уже заполнены. ПоэтомуT 0Kсвязь с ядром этого пятого элекWвтрона атома примеси слабее посравнению с другими электронами.Валентная зонаПод действием теплового колебанияатомов кристаллической решеткиfn1,00связь этого электрона с атомом легко00,5f p 1,0разрушается, и он переходит в зонуабпроводимости, становясь при этомРис.

1.9. Зонная диаграмма (а) и распределение электроновпо энергетическим уровням (б) полупроводника с донорными примесямисвободным носителем электрического заряда (рис. 1.9, а).Атом примеси, потеряв один электрон, становится положительно заряженным ионом с единичным положительным зарядом, но он остается в узле кристаллической решетки, и в отличие от «дырки», тоже имеющей единичный положительный заряд, он не может перемещаться внутри кристалла,так как связан с соседними атомами полупроводника межатомными связями, и может лишь совершать колебательные движения около положения равновесия в узле кристаллической решетки. Приэтом электрическая нейтральность кристалла полупроводника не нарушается, так как заряд каждогоэлектрона, перешедшего в зону проводимости, уравновешивается положительно заряженным иономпримеси.

Таким образом, полупроводник приобретает свойство примесной электропроводности,обусловленной наличием свободных электронов в зоне проводимости. Этот вид электропроводностиназывается электронной и обозначается буквой n (негативная, отрицательная проводимость), а полупроводники с таким типом проводимости называются полупроводниками n-типа.В отличие от идеальных, чистых полупроводников диаграмма распределения электронов поэнергетическим уровням в полупроводниках n-типа изменяется (рис.

1.9, б). Уровень Ферми WF вэтом случае будет смещаться вверх, к границе зоны проводимости Wп , так как малейшее приращениеэнергии электрона приводит к его переходу в зону проводимости.10А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекций1.5.2. Акцепторные примесиАкцептор – это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зонеэнергетический уровень, свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный захватить электрониз валентной зоны в возбужденном состоянии.Если в кристаллическую решетку полупроводника кремния ввести атомы примеси, например индия ( In ), принадлежащего к III группе периодической системы элементов Менделеева, и следовательно имеющего на наружной электроннойоболочке три валентных электрона, то эти три валентных электрона устанавливают прочные ковалентные связи с тремя соседними атомами кремния из четырех (рис.

1.10).Одна из связей остается не заполненной из-за отсутствия необходимого электрона у атома примеси. ПоэтомуРис. 1.10. Структура полупроводникас акцепторными примесямизаполнение этой свободной связи может произойти засчет электрона, перешедшего к атому примеси от соседнего атома основного полупроводника при нарушении какой-либо связи. При этом атом примеси,приобретая лишний электрон, становится отрицательно заряженным ионом, а дырка, образовавшаясяв атоме основного полупроWводника, имея единичный положительный заряд, можетперемещаться от одного атомаЗона проводимостиT 0Kполупроводника к другомуWпвнутри кристалла, участвуя втепловом движении; взаимоT 0KУровни акцепторовдействуя с электрическими иWFмагнитными полями, а такжеWвпод действием градиента конВалентная зонацентрации.

Такой тип проводимости называется дырочfn01,0ным и обозначается буквой pf p 1,000,5(позитивный, положительныйабтип проводимости), а полупроРис. 1.11. Зонная диаграмма (а) и распределение электроновводник называется полупропо энергетическим уровням (б) полупроводника с акцепторными примесямиводником р-типа.Следует отметить, что отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси в полупроводникер-типа не могут перемещаться внутри кристалла, так как находятся в узлах кристаллической решетки и связаны межатомными связями с соседними атомами полупроводника.

В целом полупроводниковый кристалл остается электрически нейтральным, так как количеству образовавшихся дырок строго соответствуетколичество отрицательно заряженных ионов примеси. Для полупроводника р-типа диаграмма распределения электронов по электрическим уровням будет иметь вид, представленный на рис. 1.11, а.Вероятность захвата электрона и перехода его в валентную зону возрастает в полупроводникахp-типа, поэтому уровень Ферми WF здесь смещается вниз, к границе валентной зоны (рис. 1.11, б).Следует отметить, что при очень больших концентрациях примесей в полупроводниках уровеньФерми может даже выходить за пределы запрещенной зоны либо в зону проводимости (в полупроводниках n-типа) либо в зону валентную (в полупроводниках p-типа).

Характеристики

Список файлов учебной работы