Учебник - ФОЭ (1267772)
Текст из файла
ОГЛАВЛЕНИЕПРЕДИСЛОВИЕ…………………..…....…...….………....................... 6Список общих обозначений и сокращений…………………...….8Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ.. 101.1. Энергетические зоны…….……...………….…………..….…… 10Электронные состояния атомов и твёрдых тел.…………….................... 10Модель ковалентной связи…………………….…..................................... 13Модель энергетических зон………………………..….……………….… 16Модель примесного полупроводника… …....………………................... 20Выводы………………………………….……..………..………….…....... 231.2. Свободные носители заряда……...……..……….…….…...…..
24Функция распределения Ферми–Дирака………………….……………. 24Максимальная плотность разрешённых состояний…………..………... 28Концентрация свободных носителей заряда………………….………... 30Равновесный полупроводник……………………….………….. 30….Собственный полупроводник……………………….…………. 33Квазиуровни Ферми, произведение концентраций…………… 34Примесный полупроводник ……………………………..……..
35Температурная зависимость концентрации носителей37Положение уровня Ферми и тип проводимости……….………………. 40Изгиб энергетических зон и электрическое поле…………….…........... 41Заряд поверхности42Распределение концентрации носителей заряда по энергиям………… 441.3. Рекомбинация носителей заряда……………………………….. 461.4.
Электрические токи в полупроводниках…………….…........... 51Диффузионный ток..……………………………………………. 52Дрейфовый ток…………………………………..…….………... 53Уравнения токов…………………………….…..…….………… 56Температурная зависимость тока, температурный коэфф……. 57Сопротивление полупроводника………………………………. 59Соотношение Эйнштейна………………………………………. 611.5. Уравнения непрерывности………………………….…..……… 63Вывод уравнений………………………………………………..
641.6. Задачи об инжекции и экстракции неосновных носителей….. 66Задача 1.1. Полубесконечный образец……………………….. 67Образец конечных размеров……………………… 70Задача 1.2. Экстракция неосновных носителей……………… 72Задача 1.3. Двусторонняя инжекция/экстракция носителей…. 73Контрольные вопросы………………………………………….. 76Глава 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ77НА ЭЛЕКТРОННО - ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДАХ2.1.
Физические основы работы идеального р–n-перехода…….…Формирование. Диффузионно-дрейфовое равновесие….………………3Глава 1ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ1.1. Энергетические зоныЭлектронные состояния атомов и твёрдых телЗарождение электроники естественно связывать с открытием электрона английским физиком Дж. Дж.
Томсоном в 1897 г. Более века томуназад, изучая катодные лучи в трубках Крукса, он показал, что эти лучипредставляют собой поток отрицательных зарядов. Позднее эти зарядыбыли названы электронами1. Электрон стал первой в истории физики экспериментально обнаруженной элементарной частицей. Само слово “электрон” ввел в обиход ирландский физик и математик Дж. Стоней, которыйвпервые высказал идею о дискретности электричества2, дал количественную оценку минимального электрического заряда и в 1891 г. элементарный электрический заряд назвал электроном.
Правда, первоначально этоназвание относилось к заряду отрицательного одновалентного иона.Современные представления об электронных состояниях атомов основаны на квантовой модели атома, предложенной датским физикомНильсом Бором, и понимании места, которое занимает соответствующийхимический элемент в Периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. В основе квантовой модели атома лежат постулаты Н.Бора о дискретности энергетических состояний электронов в атоме ипредложенные им представления об оболочечной структуре атомов, соответствующие периодической системе химических элементов.
Квантоваямодель атома явилась естественным развитием, основанным на идеяхМакса Планка о дискретности энергии, планетарной модели атома Резерфорда.Периодический закон химических элементов был открыт Д. И. Менделеевым в 1869 г. почти за 30 лет до открытия электрона. Периодическаятаблица химических элементов включала в то время чуть более 60 элементов и немало свободных мест3. Однако, как считал Д. И. Менделеев,“периодическому закону – будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает …”.Действительно, исследования рентгеновских спектров, выполненныеанглийским физиком Г.
Мозли, помогли установить физический смыслатомного номера и понять, что свойства элементов состоят в периодической зависимости от заряда ядра. Представления Н. Бора об оболочечнойструктуре электронной системы атома прояснили смысл номера периодаТаблицы. Номер периода оказался равным числу электронных оболочек ватоме. Принцип исключения Паули, который допускал пребывание наэлектронной орбите не более 2-х электронов с противоположными спина-10Электронные оболочкими, позволил установить алгоритм заполнения электронных оболочекмногоэлектронных атомов.Таким образом, если рассматривать ПериодическуюНомер оболочки Электронные уровнитаблицу химических элемен3d10тов с точки зрения электронной структуры атомов, то3p6суммарное число электронов2п2 = 18п=3в атоме равно порядковому23sномеру элемента.
Число электронных оболочек в атомеравно номеру периода (стро2p6ки) элемента. Число электронных уровней в каждой2п2 = 8п=222sоболочке равно номеру оболочки. Номер группы (столбца) равен числу валентныхэлектронов во внешней, наи1s2п=12п2 = 2более удаленной от ядра,+электронной оболочке.Для обозначения элекЯдротронных уровней в каждойРис.1.1 Структура энергетических уров‐оболочке принято пользоней многоэлектронного гипотетическо‐го атома из третьего периода N = 3ваться буквенными символаНа электронных уровнях показано макми, заимствованными изсимально возможное число электронов.спектроскопии. Это s, p, d , fКонкретное число электронов и электронных уровней на внешней, третьей,- уровни.оболочке зависит от номера группы, вС учётом принципа Пауликоторой находится элемент.на дискретных электронныхуровнях атома, может находиться строго определенное число электронов(Таблица 1.1). Всего в оболочке 2 n 2 разрешённых состояний, где n – номер электронной оболочки, n = 1, 2...
N , N – номер периода.Т а б л и ц а 1.1Электронный уровеньspdf…Максимальное число разрешённых состояний261014…Энергетическая диаграмма изолированного многоэлектронного атома показана на рис. 1.1. Электронная конфигурация изолированного атомаформируется в соответствии с принципом Паули за счёт последовательного заполнения электронами разрешённых дискретных энергетических11уровней.
Причём, как указывалось, номер периода равен числу электронных оболочек. Номер группы равен числу валентных электронов. Номерэлемента равен общему числу электронов в атоме.Цифра перед буквенным символом электронного уровня обозначаетномер оболочки, показатель степени – максимально возможное числоэлектронов (разрешенных состояний уровня). Гипотетический атом изтретьего периода содержит три электронные оболочки, расположенные навозрастающем удалении от ядра атома. Орбиты электронов разных электронных уровней одной оболочки различаются формой (круговая, эллиптическая). Орбиты электронов одного энергетического уровня различаются ориентацией.
Электроны на одной орбите имеют противоположныенаправления спинов. Электроны наиболее удаленных от ядра уровнейвнешней оболочки называются валентными. Именно валентные электроны взаимодействуют с другими атомами при формировании более сложных атомных структур.Интересующий нас фрагмент периодической таблицы химическихэлементов, содержащий элементы III-V групп, показан в таблице 1.2. Втвёрдотельной электронике чаще всего используются монокристаллыкремния (Si) и германия (Ge).Период \ Группа2345Т а б л и ц а 1.2IIIIV65CB2s2 2 p12s2 2 p213 Al14 Si2 s2 2 p13s2 3 p231 Gal32 Ge214s 4 p4s2 4 p249In5s2 5 p1650Sn5s 2 4 p 252Pв6 s2 6 p2V15P3s 2 3 p333As4 s 2 4 p351Sв5s2 5 p 3Кремний находится в четвёртой группе третьего периода. Значит, онимеет три электронных оболочки и 4 валентных электрона в третьей оболочке.
Всего 14 электронов, что соответствует атомному номеру кремния.Электронная конфигурация атома кремния выглядит следующим образом:1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 2 .Обратим внимание, что все элементы IV группы таблицы Менделеева имеют одинаковую конфигурацию внешней электронной оболочки:12Ns 2 Np 2 , содержащую 4 электрона из 8 возможных. Аналогично, элемен-ты V группы имеют конфигурацию Ns 2 Np3 и содержат 5 внешних электронов, на один больше.
Элементы III группы имеют 3 валентных электрона, на один меньше, чем элементы IV группы.Модель ковалентной связиВ твёрдотельной электронике электроны выполняют функцию нетолько свободных носителей заряда, формирующих токи проводимости,но и являются теми элементами, которые играют основную роль в процессе объединения индивидуальных атомов в твёрдое тело.
Электронывыполняют роль привязных ремней, реализующих межатомные связи,благодаря которым из совокупности индивидуальных атомов создаютсяпространственно упорядоченные периодические структуры. Причём образование свободных носителей заряда (СНЗ) происходит в органическомединстве с формированием этих связей.Различают ионную, металлическую и ковалентную связи. При ионной связи часть электронов одного атома перемещается к другому атому.В результате образуется противоположно заряженные ионы, взаимодействие которых консолидирует атомы в твёрдое тело. При металлическойсвязи кристаллическая решётка положительно заряженных ядер окруженаотрицательным электронным газом. В случае ковалентной связи каждыйатом связан со своим ближайшим (в данном направлении) соседом паройэлектронов (приставка «ко» – два).
Один валентный электрон одного атома и один электрон соседнего атома (один «свой» и один «чужой») вращаются (согласно представлениям классической физики) вокруг этих двухатомов по одной общей орбите. Общая орбита двух электронов соседнихатомов реализует ковалентную связь этих атомов в данном направлении.•+•+Рис. 1.2. Модель формирования молекулы водорода H2 а), б) образование молекулы присближении двух атомов за счётковалентной связи, реализованной двумя валентными электронами;в) символическое изображениековалентной связи двух атомов.RRа)++•++• +++•+в)б)•++Молекула водорода H2, самого распространённого элемента Вселенной, является наглядным примером того, как за счёт ковалентной связиформируется новая структура, более сложная, нежели сам атом. При13сближении атомов до расстояний R , на которых орбиты валентных электронов начинают перекрываться (рис.
1.2а), два атома водорода объединяются в молекулу (рис. 1.2б) за счёт ковалентной связи, символическиизображенной на рис. 1.2в.С помощью одного электрона от каждого из двух атомов, объединяемых ковалентной связью, формируется структура не сложнее двухатомной молекулы (например, водорода). Посредством двух электроновот каждого из двух атомов, объединяемых ковалентной связью, возможноформирование более сложной структуры, состоящей, например, из трёхатомов (рис. 1.3).Когда в реализации ковалентных связей участвует каждый из трёхвалентных электронов, возможно формирование ещё более сложнойструктуры. Например, двумерной поверхности, состоящей из правильныхшестиугольных атомных структур, где каждый атом связан ковалентнымисвязями с тремя ближайшими соседями (рис.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
