Скачать презентацию Полупроводниковые материалы Энергетический спектр электронов в твердых телах Скачать презентацию Полупроводниковые материалы Энергетический спектр электронов в твердых телах

Полупроводниковые материалы.ppt

  • Количество слайдов: 12

Полупроводниковые материалы Энергетический спектр электронов в твердых телах Полупроводниковые материалы Энергетический спектр электронов в твердых телах

Полупроводники – материалы (кристаллы, поликристаллические и аморфные материалы, элементы или соединения) с существованием запрещенной Полупроводники – материалы (кристаллы, поликристаллические и аморфные материалы, элементы или соединения) с существованием запрещенной зоны (между зоной проводимости и валентной зоной). Следствие: -полупроводники занимают промежуточное положение электропроводности между металлами и диэлектриками; по -электропроводность полупроводников падает при понижении температуры (у металлов обычно растет). Применение: -Транзисторы -БИС -Термисторы -Фотоэлементы -Фотодиоды -П/п лазеры -Преобразование солнечной энергии в электрическую

Типы полупроводников В полупроводниках часто наблюдается смешанный тип химических связей: ковалентно-металлический, ионно-металлический и др. Типы полупроводников В полупроводниках часто наблюдается смешанный тип химических связей: ковалентно-металлический, ионно-металлический и др. К ним относятся многие химические элементы и химические соединения: -простые вещества: германий, кремний; селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк и др. ; -окислы и сульфиды многих металлов: Ni. O, Cu 2 O, Cu. O, Cd. O, Pb. S и др. ; -тройные соединения: Cu. Sb. Sr, Cu. Fe. Se 2, Pb. Bi. Se 3 и др. ; -твердые растворы Ge. Si, Ga. As 1 -x Px и др. ; -органические красители и другие материалы: анрацен, фталоцианин, нафталин и другие. Полупроводники могут быть жидкими или твердыми, кристаллическими или аморфными.

Зонная структура твердого тела. Расщепление энергетических уровней согласно теории молекулярных орбиталей. Влияние величины межатомного Зонная структура твердого тела. Расщепление энергетических уровней согласно теории молекулярных орбиталей. Влияние величины межатомного расстояния на положение энергетических уровней и энергетических зон в натрии (рассчитано в рамках теории «плотной химической связи» )

Схема энергетических зон твердого тела. Схема верхних энергетических зон в кристалле Na. Cl. Схема энергетических зон твердого тела. Схема верхних энергетических зон в кристалле Na. Cl.

Различные случаи зонной структуры твердых тел. Различные случаи зонной структуры твердых тел.

Ширина запрещенной зоны (э. В) некоторых неорганических твердых те Ширина запрещенной зоны (э. В) некоторых неорганических твердых те

Зонная структура полупроводников аналогична зонной структуре диэлектриков, и лишь ширина запрещенной зоны не так Зонная структура полупроводников аналогична зонной структуре диэлектриков, и лишь ширина запрещенной зоны не так велика. Обычно она составляет 0, 5 – 3, 0 э. В. Полупроводники можно разделить на два класса: 1. Собственные полупроводники – это чистые вещества, зонная структура которых соответствует приведенной схеме. В таких веществах число электронов n в зоне проводимости полностью определяется шириной запрещенной зоны и температурой. Зонная структура кремния и германия резко отличается от той структуры, которую можно было бы ожидать, исходя из зонной структуры натрия и магния. В последних элементах энергетические уровни 3 s и Зр перекрываются, что приводит к возникновению двух широких зон, каждая из которых занята лишь частично. Если бы эта тенденция распространялась на другие элементы, то можно было бы ожидать, что и в кремнии должны существовать две такие же зоны. Тогда эти зоны были бы заполнены в среднем наполовину, и кремний был бы металлом. Известно, что это не так. На самом деле валентная зона и зона проводимости в кремнии разделены запрещенной зоной. В валентной зоне содержится по четыре электрона на один атом кремния. Эта зона полностью заполнена. Если бы запрещенная зона просто разделяла s- и p-зоны, то в s-зоне находилось бы только два электрона на один атом кремния. Это не так. Поэтому такая интерпретация зонной структуры неверна.

2) Примесные полупроводники — это материалы, уровень проводимости которых определяется содержанием легирующих компонентов. Кремний 2) Примесные полупроводники — это материалы, уровень проводимости которых определяется содержанием легирующих компонентов. Кремний может стать примесным полупроводником, если в него ввести элементы III или V групп периодической системы. Рассмотрим вначале влияние малых добавок трехвалентных элементов (например, 10 -2 ат. % галлия или бора). Пусть атомы галлия замещают атомы кремния в тетраэдрических узлах решетки типа алмаза, образуя твердый раствор замещения. Согласно теории валентных связей, в чистом кремнии все связи Si—Si являются обычными ковалентными связями, так как у кремния четыре валентных электрона, и каждый атом кремния окружен четырьмя другими атомами кремния. У галлия лишь три валентных электрона, и при введении галлия в кремний должна образовываться одна электронодефицитная связь Ga—Si. Согласно зонной теории, каждый энергетический уровень, отвечающий одноэлектронной связи Ga—Si, не будет попадать в валентную зону кремния. Вместо этого образуется дискретный энергетический уровень или атомная орбиталь чуть выше потолка валетной зоны. Такой уровень называют акцепторным уровнем, поскольку он способен принимать электроны. Энергия этого акцепторного уровня отличается от энергии потолка валентной зоны примерно на 0, 1 э. В. Следовательно, термически возбужденные электроны могут легко покидать валентную зону и занимать акцепторные уровни. Если концентрация атомов галлия мала, акцепторные уровни дискретны. Поэтому электроны, находящиеся на акцепторных уровнях, не вносят вклада в проводимость материала. Оставшиеся в валентной зоне положительно заряженные дырки могут двигаться, и, следовательно, легированный галлием кремний относится к полупроводникам р-типа.

Рассмотрим теперь, к чему приведет введение в кремний атомов пятивалентного элемента, например мышьяка или Рассмотрим теперь, к чему приведет введение в кремний атомов пятивалентного элемента, например мышьяка или фосфора. Атомы мышьяка также будут замещать атомы кремния в решетке типа алмаза. Однако теперь каждый атом мышьяка дает один избыточный электрон по сравнению с теми электронами, которые необходимы для образования четырех ковалентных связей Si—As. В рамках зонной теории это означает, что избыточный электрон занимает дискретный уровень, расположенный примерно на 0, 1 э. В ниже дна зоны проводимости. Как и в предыдущем случае, электроны на этих уровнях не могут двигаться, поскольку их концентрация недостаточна, чтобы образовать зону делокализованных состояний. Такие уровни называются донорными уровнями, поскольку находящиеся на них электроны легко переходят в зону проводимости за счет термического возбуждения, где они могут свободно перемещаться. Такие материалы называются полупроводниками n-типа.

Схема энергетических уровней электронов, связанных с донорами и акцепторами. Схема энергетических уровней электронов, связанных с донорами и акцепторами.

P • x (Si) → P • + (Si) + e - донор B P • x (Si) → P • + (Si) + e - донор B • x (Si) → B • - (Si) + p - акцептор