Полупроводники
Электрический ток в полупроводниках
Полупроводник. n-тип, p-тип, примесные элементы.
Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры [1]. Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка электрон-вольта эВ. К числу полупроводников относятся многие химические элементы германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие , огромное количество сплавов и химических соединений арсенид галлия и др. Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке например, атом фосфора, бора и т. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается. Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков. Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных то есть без примесей полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой. Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов. Между зоной проводимости Е п и валентной зоной Е в расположена зона запрещённых значений энергии электронов Е з. С ростом ширины Е з число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает. При этом, вообще говоря, подвижность является тензором:. Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике см. При большой концентрации носителей заряда , вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости. При термодинамическом равновесии, концентрация электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:. Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник например, кремний добавляют примесь пятивалентного полупроводника например, мышьяка. В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник например, в кремний добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента например, индия. Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,,6 В. В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток прямая проводимость, диод пропускает максимальный электрический ток. При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока обратная проводимость, диод сопротивляется пропусканию электрического тока. Обратный ток полупроводникового диода близок к нулю, но не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт. Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости , что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода. В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых элементов и их соединений, разделённых на несколько типов:. Прежде всего, следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество эффектов, которые не могут быть наблюдаемы ни в тех, ни в других веществах, прежде всего связанные с устройством зонной структуры полупроводников, и наличием достаточно узкой запрещённой зоны. Собственный полупроводник при температуре абсолютного нуля не имеет свободных носителей в зоне проводимости в отличие от проводников и ведёт себя как диэлектрик. При легировании ситуация может поменяться см. В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества, встаёт вопрос о новом эталоне для числа Авогадро. Объёмные свойства полупроводника могут сильно зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре. И поэтому стремятся выращивать очень чистые вещества, в основном для электронной промышленности. Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Для получения кремния с дырочным типом проводимости p-Si используют бор акцептор. Также создают компенсированные полупроводники с тем чтобы зафиксировать уровень Ферми в середине запрещённой зоны. Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Для очистки технологического кремния используют также метод зонной плавки. Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая принцип запрета Паули , электроны могут переходить только из заполненного энергетического уровня на незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния валентной зоны заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны лишь из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, превышающую ширину запрещённой зоны. Эта частота определяет фундаментальный край поглощения для полупроводника. Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике кремний , германий , арсенид галлия она лежит в инфракрасной области спектра. Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора , в частности закон сохранения импульса. Закон сохранения импульса требует, чтобы квазиимпульс конечного состояния отличался от квазиимпульса начального состояния на величину импульса поглощённого фотона. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для прямозонных полупроводников. Оптические переходы в полупроводниках, при которых импульс электрона почти не меняется называются прямыми или вертикальными. Импульс конечного состояния может значительно отличаться от импульса начального состояния, если в процессе поглощения фотона участвует ещё одна, третья частица, например, фонон. Такие переходы тоже возможны, хотя и менее вероятны. Они называются непрямыми переходами. Таким образом, прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия , начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике. Непрямозонные полупроводники, например, кремний , поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры. Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра. При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике возникают свободные носители заряда , а следовательно фотопроводимость. При частотах ниже края фундаментального поглощения также возможно поглощение света, которое связано с возбуждением экситонов , электронными переходами между уровнями примесей и разрешенными зонами, а также с поглощением света на колебаниях решётки и свободных носителях. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона. Экситонные спектры поглощения имеют водородоподобную структуру энергетических уровней. Аналогичным образом примеси, акцепторы или доноры , создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при непрямозонном переходе одновременно с квантом света поглощается фонон, то энергия поглощенного светового кванта может быть меньше на величину энергии фонона, что приводит к поглощению на частотах несколько ниже по энергии от фундаментального края поглощения. На основе большинства из приведённых бинарных соединений возможно получение их твёрдых растворов: CdTe x HgTe 1-x , HgTe x HgSe 1-x , PbTe x SnTe 1-x , PbSe x SnSe 1-x и других. Соединения A III B V , в основном, применяются для изделий электронной техники, работающих на сверхвысоких частотах. Соединения A II B V используют в качестве люминофоров видимой области, светодиодов , датчиков Холла , модуляторов. Соединения A III B V , A II B VI и A IV B VI применяют при изготовлении источников и приёмников света, индикаторов и модуляторов излучений. Окисные полупроводниковые соединения применяют для изготовления фотоэлементов , выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии , проверенной 18 января ; проверки требуют 6 правок. Большая Российская Энциклопедия, Материалы по электропроводным свойствам. Страницы, использующие волшебные ссылки ISBN Статьи со ссылками на Викисловарь. Навигация Персональные инструменты Вы не представились системе Обсуждение Вклад Создать учётную запись Войти. Пространства имён Статья Обсуждение. Просмотры Читать Текущая версия Править Править вики-текст История. В других проектах Викисклад. Эта страница последний раз была отредактирована 17 мая в Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike ; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия. Свяжитесь с нами Политика конфиденциальности Описание Википедии Отказ от ответственности Разработчики Соглашение о cookie Мобильная версия.
Маткапитал последние новости
Сталь 20 температура эксплуатации
Как завязать узлы картинки
Понятие и виды подведомственности гпп
Тригонометрические функции тест 10 класс
Нормы психического развития таблица