Электр. Презентация 1


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
Брикман
Александр
Иосифович

каф.ТЭ

361 (преп.),

374
(лаб.)
Ток и проводимость
в твердом теле
Закон Ома

классический вид
Удельное
сопротивление
Удельная
проводимость
Ток
в
образце твердого тела
Сопротивление образца:
Исключение параметров образца
L
и
S
Заменяем:

напряжение
U
на напряженность Е=
U/L

ток
I
на плотность тока
j=I/S
Закон Ома для твердого тела вообще (
!!!
)
Дифференциальный
вид закона Ома
Размерность
Движение электрона в поле с
напряженностью Е
В вакууме

постоянн
ое
ускорение
В
твердом теле

постоянная скорость
Сила, действующая на электрон в поле
Удельная проводимость
через
фундаментальные параметры
твердого тела
q
e

заряд
электрона,
n
e

концентрация электронов
[
см
-
3
]
(
каких?!
)
μ
е

подвижность электрона
Исходные данные для
расчета
σ
в
Si
|
Ge
Сравнение значений
σ
в
[
Ом
·см
]
Cu

6
·10
5
Si

0.5
·10
-
5
слюда


10
-
15
Ge

2
·10
-
2
Классификация твердых тел
по признаку
удельной проводимости
проводники
(металлы)
диэлектр
ики
(изоляторы)
в промежутке значений
-
полу
проводники
Свободные носители в
полупроводниках
типа
Si
и
Ge
(
собственная проводимость)
Кристаллическая структура кремния
(3
D
-
вариант)
Устойчивость внешней
электронной оболочки
Si
и
Ge

устойчивой является оболочка, в которой 8 электронов,

у
атомов
Si
и
Ge
во внешней оболочке

4 электрона,

у смежных атомов каждый электрон принадлежит двум оболочкам,
Разрушение связи тепловым
фононом
(температурные колебания решетки)
При
T=300
O
K
или
27
O
C
в одном см
3
кремния
имеется
~2
·10
10
"свободных"
электронов
Электрон может свободно перемещаться
по объему ТТ и направленно при наличии
электрического поля
При разрыве связи возникает
"
свободный"
электрон.
Последствие разрыва ковалентной связи
"электрон

атом" (1)
При
T=300
O
K
или
27
O
C
в одном см
3
кремния
имеется
~2
·10
10
ОПЗ

"дырок"
ОПЗ может произвольно изменять свое
положение в объеме ТТ и направленно
при наличии электрического поля
При разрыве связи возникает
объемный
положительный заряд (ОПЗ)
атома.
Последствие разрыва ковалентной связи
"электрон

атом" (
2
)
Изменение положения ОПЗ в объеме создает
эффект движения положительного заряда

"дырки" (
hole)
Как "движется" положительный заряд (дырка"
Реальный процесс:
а) после разрыва связи у атома 5 образовался положительный заряд
б) электрон от атома 6 перешел в оболочку атома 5
Представление:
положительный заряд (дырка) переместилась от атома 5 к атому 6
Кремний

собственная
проводимость,
создаваемая электронами и дырками
(Т=300К).
Свободные носители в
полупроводниках
типа
Si
и
Ge
(
примесная
проводимость)
Примесная
проводимость (
n
-
тип
)
Примесная
проводимость (
p
-
тип
)
Движение зарядов в твердом
теле
(
дрейф
)
-
электроны
Движение зарядов в твердом теле (дрейф
)
-
дырки
Последовательное
перемещение электронов от
Si
к
Si
влево
-
то же самое, что перемещение дырки вправо.
Перемещение
электрона от
Si
к
In

создание дырки.
Теперь у
In
на оболочке 8 электронов, она устойчива и
захваченный электрон "не отпустит".
Концентрация атомов и свободных зарядов в
Si
(Т=300К)
В 1 см
3
Si:
плотность
Si

2.33[
г
·см
-
3
]
атомный вес
Si

28
Число
Авогадро
-
6
·10
23
Влияние примеси
N
D
=N
P
=
10
17
[
атом/см
3
]
n
n
=
10
17
[
электрон/см
3
]
Кремний

примесная
проводимость
Основные обозначения
Механизмы создания носителей заряда в ПП
Основные и неосновные носители
-
определение.
Основные и неосновные носители
-
соотношение.
Основные
соотношения

сводка для
Si
Процессы создания носителей заряда в
полупроводнике
Значения концентраций в
примесных
ПП
Элементы зонной
теории твердого
тела
Понятия
и определения

каждый электрон в ТТ может принимать только
определенные значения энергии
,

то же самое

находиться на определенном уровне
Расстояние между отдельными уровнями очень мало
(реально
в
Si ~
10
-
17
эВ)

поэтому
уровни
сливаются
в практически сплошные
зоны
.
электроны,
находящиеся на оболочках
и всегда
связанные с атомами,
создают
валентную зону
,
электроны
оторванные от оболочек
(свободные)

создают
зону проводимости
.
Понятие зонной диаграммы
Электропроводность в свете зонной теории

рассматривается только внешняя (верхняя) электронная оболочка,

энергетические уровни одной оболочки имеют дискретные значения,

у множества атомов дискретные уровни образуют ряд

сплошных

зон,

зона с наибольшими значениями энергии
-
зона проводимости,

предыдущая зона

валентная зона,

вклад в электропроводность

только электроны,
способные
перемещаться внутри зоны
:

в зоне проводимости

свободные электроны (электронный "газ"),

в валентной зоне

электроны, переходящие на свободные места в
других оболочках и создающие имитацию передвижения дырки
При температуре Т=0К

у проводников в зоне проводимости есть электроны

у диэлектриков и полупроводников

ПУСТО!
Кристаллическая структура
кремния
Т =
0K
Все места в оболочках заняты

валентная зона
заполнена
Свободных электронов нет

зона проводимости пуста.
Кристаллическая структура кремния
Т

0K
Появляются свободные электроны, уровни которых лежат в
зоне проводимости
Появляются пустые места в оболочках (дырки), уровни
которых лежат в валентной зоне
Зонная диаграмма
-
энергетические зоны
в
собственном
полупроводнике
Зонная диаграмма
-
энергетические зоны в
диэлектрике
Различие между полупроводниками и
диэлектриками
Примесная
проводимость (
n
-
тип
)
в свете зонной
теории
Все места в оболочках заняты

валентная зона
заполнена
Доноры отдают "лишние" для оболочки с
вободные электроны,
которые появляются в зоне проводимости.
Зонная диаграмма
-
энергетические зоны в
примесном
полупроводнике
n
-
типа
Примесная
проводимость (
p
-
тип
)
в свете зонной
теории
Свободных электронов нет

зона проводимости пуста.
Акцептор захватил электрон из "чужой" оболочки и создал
там дырку
. Уровень электрона на свободном месте

это
уровень дырки в валентной зоне.
Зонная диаграмма
-
энергетические зоны в
примесном
полупроводнике
p
-
типа
Зонная диаграмма
-
энергетические зоны в проводнике
Валентная зона полностью заполнена.
В зоне проводимости есть свободные электроны.
Зоны перекрываются, т.е.
E
V
� E
C
(в ПП

наоборот!!!)
Понятие энергии
(уровня) Ферми.
Физико
-
математические "корни" энергии Ферми (
E
F
)
Распределение Ферми для электронов в ТТ
E

одно из возможных значений энергии электрона,
P
n
(
E
)

вероятность обнаружения электрона с энергией Е,
(
E
F
)

энергия Ферми,
k

постоянная Больцмана,
Т

температура К
Изначально
: энергия Ферми
E
F

просто параметр уравнения
При
анализе зонных диаграмм энергию Ферми
E
F

принято
называть
уровнем Ферми
.
Физический смысл энергии (уровня) Ферми (
E
F
)
Из распределения Ферми следует, что при Е
=E
F
График распределения Ферми с собственном ПП при Т=0К
Из распределения Ферми следует, что при Е
=E
F
График распределения Ферми с собственном ПП при Т


Уровень Ферми
в собственном
полупроводнике
всегда лежит
посередине запрещенной зоны
Уровень Ферми в
примесном
полупроводнике
n
-
типа
-
графическое представление
Уровень Ферми в
примесном
полупроводнике
n
-
типа
-
выводы

валентная зона полностью заполнена:
P
n
(E
V
)=1
или
100%,

в зоне проводимости есть электроны
:
P
n
(E
С
) � 0
или

0%,

уровень где электронов нет
P
n
(E)=0
уже выше, чем Е
С
,

уровень
E
F
соответствует
P
n
(E
F
)=0.5
или
5
0%
(по
определению)
Электроны в зону проводимости отдают атомы примеси
-
донора

при появлении
свободного электрона дырка
не
появляется!!!
ВЫВОДЫ
В
полупроводнике
n
-
типа уровень Ферми смещается от
середины запрещенной зоны в сторону зоны проводимости.
Это смешение тем сильнее, чем больше электронов в зоне
проводимости, т.е чем больше концентрация
атомов
примеси
-
донора
N
D
.
Уровень Ферми в
примесном
полупроводнике
p
-
типа
-
графическое представление
Уровень Ферми в
примесном
полупроводнике
p
-
типа
-
выводы

в валентной зоне есть дырки:
P
n
(E
V
)

1
или

100%,

зона проводимости пуста
:
P
n
(E
С
)
=
0
или
0%,

уровень, где
P
n
(E)=
1 (100%) уже ниже, чем Е
V
,

уровень
E
F
соответствует
P
n
(E
F
)=0.5
или
5
0%
(по
определению)
Электроны в зону проводимости отдают атомы примеси
-
акцептора

при появлении
дырки свободный электрон
не
появляется!!!
ВЫВОДЫ
В
полупроводнике
p
-
типа уровень Ферми смещается от
середины запрещенной зоны в сторону
валентной
зоны.
Это смешение тем сильнее, чем больше дырок в валентной
зоне, т.е чем больше концентрация
атомов
примеси
-
акцептора
N
А
.
Уровень Ферми в
проводнике
Положение уровня Ферми в зонной диаграмме
-
сводка
в проводниках

в зоне проводимости,
в собственных ПП

в середине запрещенной зоны,
в
примесных
ПП
n
-
типа

выше
середины запрещенной зоны,
в
примесных
ПП
p
-
типа

ниже
середины запрещенной зоны.
Если в результате каких либо действий уровень Ферми в ПП
попадает в зону проводимости или в валентную зону, то
происходит
вырождение
ПП

превращение его в вещество,
близкое к металлу.
Дополнительное свойство (без теории!!!)
Если в ПП не протекает электрический ток, то уровень Ферми
имеет постоянное значение.

Приложенные файлы

  • pdf 1245769
    Размер файла: 787 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий