Хостинг от HOST PROM - это надежное место для Ваших проектов !

 


ЛЕКЦИЯ 2

Электропроводность полупроводников

 

            Электрический ток – это перенос электрических зарядов. Известно, что электрические заряды присущи элементарным частицам. Причём бывают положительные и отрицательные заряды. Так, атомы состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.  Самый малый заряд у электрона. Электроны притягиваются к ядру. У ядра атома заряд больше, но он кратен заряду электрона. В целом атомы нейтральны, так как число электронов равно заряду ядра. Но иногда электрон может быть оторван от атома. Обычно это легко делается при высоких температурах. Например, в радиолампе разогретый катод испускает электроны (котрые в 2000 раз легче атомов), и они участвуют в переносе тока от катода к аноду.

            В твёрдых телах ситуация более сложная, так как электроны не свободны. Известно, что в отдельном атоме электрон находится в поле притяжения положительного заряда. Это можно представить себе как потенциальную яму, см. рис. слева. На рис. показана зависимость энергии от координаты для одного атома слева и для кристалла справа. В  случае одного атома это просто уменьшение энергии от нуля в бесконечности до минус бесконечности в центре ядра. В потенциальной яме в случае очень малых частиц, когда применимы законы квантовой механики, всё не так, как в классической механике. Существует дискретный ряд разрешённых энергий, с которыми могут существовать электроны в атоме. Причём по принципу Паули на каждом энергетическом уровне может находиться только один электрон. А в случае кристалла, когда атомы расположены строго периодически и на очень близком расстоянии друг от друга, картина принимает вид как на рис. справа (здесь, конечно, изображена одномерная ситуация, а не трёхмерная, для простоты). Видно, что из-за перекрытия потенциальных ям их высота понизилась, за исключением крайних потенциальных ям. Квантовая механика говорит, что в случае очень малых расстояний частицы (в данном случае электроны) могут преодолевать потенциальный барьер, не получая дополнительной энергии. Но вероятность того, что они преодолеют этот барьер, обратно пропорциональна ширине и высоте барьера, и даже в экспоненциальной форме. Поэтому только на атомном уровне сказывается квантовый эффект, который называется туннельным эффектом.

            В результате электрон без всякой дополнительной энергии может проникнуть из одного атома в другой, соседний, затем в третий и т.д. Другими словами, электроны обобществляются. Но принцип Паули запрещает находиться на одном энергетическом уровне более чем одному электрону. Это приводит к тому, что каждый энергетический уровень в атоме расщепляется на энергетическую зону, которая состоит из такого числа уровней, сколько атомов в данном куске кристалла. Это очень много, в одном см3 атомов примерно 1023  . Приближённо можно считать, что энергетические зоны сплошные.

            Число зон в кристалле должно соответствовать числу уровней в атоме. Но ширина зоны зависит от глубины уровня. Чем он глубже, тем меньше ширина уровня, потому что тем больше преодолеваемый в туннельном эффекте барьер. Самые глубокие уровни практически не расщепляются. Самые верхние заполненные уровни расщепляются больше всего, они имеют наибольшую ширину. В полупроводниках наиболее интересными являются верхняя заполненная зона и следующая пустая зона. Поэтому потенциальные ямы атомов обычно не рисуют, а из зон рисуют только эти две:

 

Символом Ev обозначают верхнюю границу последней заполненной зоны, потолок валентной зоны, а символом Ec – нижнюю границу первой пустой зоны, дно зоны проводимости. Символом Eg = Ec -  Eобозначается ширина запрещённой зоны.

            Итак, мы видим, что в твёрдом теле есть заряженные частицы – электроны, и они могут двигаться по твёрдому телу. Оказывается, всё не так просто. Так например, многие твёрдые тела являются металлами, и они хорошо проводят ток; другая ситуация с диэлектриками, которые плохо проводит ток. Есть ещё и полупроводники, занимающие среднее положение между металлами и диэлектриками. Разобраться в этом позволяет зонная теория электропроводности.

            В диэлектриках электронов столько, что они полностью заполняют валентную зону, а зона проводимости пуста, там электронов нет. Поэтому зона проводимости ток не проводит, а валентная зона может ток проводить, но не проводит, потому что все состояния электронов в точности симметричны, и если есть состояние с импульсор р, то найдётся и состояние с импульсом

-р, каждое из этих состояний переносит ток, но направления этих токов противоположны, и в сумме переносимый ток равен нулю. Если валентная зона полностью заполнена, то каждый электрон проводит свой маленький ток, а весь кристалл никакого тока не проводит.

            Иная картина наблюдается в металлах, где электронов столько, что они заполняют валентную зону только наполовину. При нулевой температуре (по Кельвину, т.е. –273оС) все нижние состояния заполнены электронами, а все верхние – пустые. Но расстояния между состояниями очень малы, и малейшее возмущение системы, например, приложение маленького напряжения может вызвать смещение электронов из равновесного состояния, и нарушить симметрию в распределении электронов по скоростям. Таким образом довольно легко возникает электрический ток, т.е. имеется электропроводность.

            При более высоких температурах возникает некоторое размытие электронов по состояниям, а именно имеется функция распределения Ферми-Дирака:

                       

F(E) – вероятность занятия уровня с энергией E электроном, EF  - некая константа, имеющая размерность энергии и называемая уровнем Ферми. Эта функция выглядит следующим образом:

Здесь функция F располагается горизонтально, а её аргумент E – вертикально. Левая сплошная линия – F(E)=0; правая пунктирная линия - F(E)=1. При Е>E2  вероятность заполнения состояний электронами равна нулю – тока нет. При E<E1 F(E)=1 , все состояния заполнены и эти электроны в силу симметрии кристалла тоже не проводит ток. А вот состояния между пунктирными линиями заполнены не все, поэтому эти электроны могут проводить ток. Именно поэтому металлы хорошо проводят электричество.

            Иначе обстоит дело с диэлектриками и полупроводниками. Электронов хватает только для того, чтобы заполнить несколько зон, в том числе и валентную, а остальные, в том числе и зона проводимости, оказываются пустыми. Ясно, что пустые зоны электричества не проводят. Но не проводят его и полностью заполненные, так как в силу симметрии кристалла все маленькие токи уравновешивают друг друга.

            Но это справедливо только при нулевой температуре по Кельвину (-2730С). При более высоких температурах, и тем более при комнатных температурах, тепловые колебания атомов кристалла часть своей энергии передают электронам, что приводит к распределению по энергиям согласно функции Ферми-Дирака. Часть электронов (малая) приобретает энергию, достаточную для того, чтобы преодолеть запрещённую зону и попасть в следующую зону – зону проводимости. Эта ситуация иллюстрируется рисунком:

На левом рис. представлена плотность состояний в зависимости от Е. При нулевой энергии она очень мала, точнее равна 2 из-за того, что спин электрона равен +/- ½, т.е. в одном состоянии будет два электрона с разными спинами. С ростом энергии плотность состояний пропорциональна квадрату энергии, отсчитанной от уровня Ec  (или Ev –E  для валентной зоны).

            На втором рис. представлена фукция Ферми-Дирака. А на следующем рис. представлено произведение этих двух фукций,

Страниц (3):  [1] 2 3


 


Быстрый хостинг
Быстрый хостинг - Скорость современного online бизнеса

 

Яндекс.Метрика

Load MainLink_Second mode.Simple v3.0:
Select now URL.REQUEST_URI: webknow.ru%2Fskhemotekhnika_00006.html
Char set: data_second: Try get by Socet: webknow.ru%2Fskhemotekhnika_00006.html&d=1
					  

Google

На главную Авиация и космонавтика Административное право
Арбитражный процесс Архитектура Астрология
Астрономия Банковское дело Безопасность жизнедеятельности
Биографии Биология Биология и химия
Ботаника и сельское хозяйство Бухгалтерский учет и аудит Валютные отношения
Ветеринария Военная кафедра География
Геодезия Геология Геополитика
Государство и право Гражданское право и процесс Делопроизводство
Деньги и кредит Естествознание Журналистика
Зоология Издательское дело и полиграфия Инвестиции
Иностранный язык Информатика, программирование Исторические личности
История История техники Кибернетика
Коммуникации и связь Косметология Краткое содержание произведений
Криминалистика Криптология Кулинария
Культура и искусство Культурология Литература и русский язык
Литература зарубежная Логика Логистика
Маркетинг Математика Медицина, здоровье
Международное публичное право Частное право Отношения
Менеджмент Металлургия Москвоведение
Музыка Муниципальное право Налоги
Наука и техника Новейшая история Разное
Педагогика Политология Право
Предпринимательство Промышленность Психология
Психология, педагогика Радиоэлектроника Реклама
Религия и мифология Риторика Сексология
Социология Статистика Страхование
Строительство Схемотехника Таможенная система
Теория государства и права Теория организации Теплотехника
Технология Транспорт Трудовое право
Туризм Уголовное право и процесс Управление
Физика Физкультура и спорт Философия
Финансы Химия Хозяйственное право
Цифровые устройства Экологическое право Экология
Экономика Экономико-математическое моделирование Экономическая география
Экономическая теория Этика Юриспруденция
Языковедение Языкознание, филология

design by BINAR Design