Физика твердого телаКлассификация веществ по электропроводности. Все твердые тела по электрофизическим свойствам разделяются на три основных класса: металлы, диэлектрики и полупроводники. Если в основу классификации положить величину удельной электропроводности s , то при комнатной температуре она имеет значения в следующих пределах: металлы — (10 7 — 10 6 ) Сим/м полупроводники — (10 -8 — 10 6 ) Сим/м диэлектрики — (10 -8 — 10 -16 ) Сим/м. Такая чисто количественная классификация совершенно не передает специфических особенностей электропроводности и других свойств, сильно зависящих для полупроводника от внешних условий (температуры, освещенности, давления, облучения) и внутреннего совершенства кристаллического строения (дефекты решетки, примеси и др.). Рассмотрим, например, температурную зависимость проводимости металлов и полупроводников. Для химически чистых металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается по линейному закону в широком температурном интервале R ( t )= R 0 (1+ a t ), где R 0 – сопротивление при t =0 ° C , R ( t ) – сопротивление при t ° C , a - термический коэффициент сопротивления, равный примерно 1/273. Для металлов Наличие энергии активации E а означает, что для увеличения проводимости к полупроводниковому веществу необходимо подвести энергию. В идеальной решетке все электроны связаны, свободных носителей заряда нет, и поэтому при наложении электрического поля электрический ток возникнуть не может. Для его возникновения необходимо часть электронов сделать свободными. Но для отрыва электрона необходимо затратить энергию. Ее можно подвести к решетке в виде энергии фотона или в виде энергии тепловых колебаний решетки. При наложении на кристалл электрического поля E свободные электроны, участвуя в хаотическом тепловом движении, будут испытывать действие силы e n E и придут в дрейфовое движение против поля. Если обозначить концентрацию электронов через n , их подвижность через m n ,то плотность электрического тока будет равна J n = q n m n E = s n E , где через e n обозначен заряд электрона. В полупроводниках проводимость зависит от внешних условий, поскольку, меняя интенсивность освещения, облучение или температуру, можно менять концентрацию носителей заряда в широких пределах, в то время как в металлах число электронов остается неизменным при изменении внешних условий и температуры. Однако это не единственное различие между металлами и полупроводниками. В последних существует два механизма проводимости. Незавершенная связь вследствие движения электронов может перемещаться от атома к атому, т.е. может совершать хаотические движения по кристаллу. При наложении внешнего электрического поля E на связанные электроны будет действовать сила e n E , поэтому они, перемещаясь против поля, будут занимать вакантную связь. Наличие вакансий в связях позволяет валентным электронам перемещаться против поля. Тем самым совокупность валентных электронов также участвует в образовании проводимости полупроводников. Удобнее рассматривать не движение совокупности валентных электронов, а движение вакантных связей. Обозначив число вакантных связей через p , а их подвижность через m p , можно выразить ток совокупности связанных электронов следующим образом: J p = q p m p pE = s p E . Вакантная связь получила название дырки. Дырки рассматривают как некие квазичастицы, движение которых вполне адекватно движению валентных электронов. Собственные и примесные полупроводники. Полупроводник, в котором число электронов равно числу дырок n = p , называется собственным полупроводником, для него Различие в концентрациях дырок и электронов достигается введением примесей. Проводимость, созданная введением примеси, называется примесной. Примесь, которая отдает электроны, называется донорной. При протекании тока в кристалле с такой примесью заряд будет переноситься в основном электронами, которые в силу этого называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными. Такой полупроводник носит название электронного, или n -типа. Проводимость электронного полупроводника может быть записана в виде Полупроводник с акцепторной примесью носит название дырочного, или p -типа. Введение примеси в полупроводниковое вещество понижает его сопротивление. Если в веществе содержится примесь двух типов – и акцепторы, и доноры, то происходит взаимная компенсация примеси. При равенстве концентраций доноров и акцепторов легированный полупроводник подобен собственному. Такие полупроводники называются скомпенсированными. Металлы, диэлектрики и полупроводники в зонной теории. Полнее всего различия между металлами, диэлектриками и полупроводниками объясняет зонная теория твердого тела. Энергетические уровни электронов в изолированном атоме расщепляются в энергетическую зону при образовании из этих атомов кристаллической решетки. Если энергетический уровень полностью заполнен, то и образующаяся энергетическая зона будет заполнена целиком. Поскольку по принципу Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, каждая неперекрывающаяся зона содержит 2 N состояний и в ней не может быть более 2 N электронов. Если имеется f -кратное вырождение уровней, то образующаяся зона будет f - кратно вырождена и может содержать не более 2 N f электронов. Следовательно, если зона целиком заполнена, то переход электронов под действием энергии тепловых колебаний атомов или внешнего поля из одного состояния в другое невозможен, так как по принципу Паули все состояния заняты. В связи с тем, что над полностью занятой разрешенной зоной имеется запрещенная зона, для переброса электрона через которую в следующую разрешенную зону требуется конечная энергия, такой кристалл не будет проводить электрический ток. Такой кристалл будет диэлектриком. Если ширина запрещенной зоны невелика по сравнению со средней энергией теплового движения, то возможны перебросы электронов из полностью заполненной зоны в следующую разрешенную свободную зону. При этом возникает электропроводность как по не полностью заполненной зоне, так и по следующей частично заполненной зоне. Такой кристалл — полупроводник. Рис.2. Металлическая проводимость образуется и при перекрытии заполненной энергетической зоны с незаполненной зоной. Расчет эффективных масс плотности состояний для электронов и дырок. Зона проводимости кремния представляет собой наложение трех ветвей E ( k ), одна из которых лежит значительно ниже других. Положение абсолютного минимума определяет дно зоны проводимости (Рис.3). Он лежит в направлении [100], поэтому всего имеется 6 эквивалентных минимумов энергии или 6 долин. Рис.3.Зонная структура кремния. Рассмотрим полупроводник, в который введена примесь одного вида, например, донорная. Уравнение нейтральности для такого полупроводника принимает вид Поэтому при низкой температуре основную роль будут играть переходы электронов с примесного уровня, следовательно p N D + . Неравенство сохранится до тех пор, пока вся примесь не будет ионизована. Однако с ростом температуры произойдет ионизация примеси, и рост концентрации электронов n будет происходить вместе с ростом концентрации дырок p . При больших температурах p >> N D + = N D , и полупроводник станет собственным. Область низких температур. Концентрация электронов для этого случая: n = N D , т.е. концентрация электронов не зависит от температуры и равна концентрации примеси. Эта область температур носит название области истощения примеси. Переход от области примесной проводимости к области истощения происходит при температуре насыщения T s . T s — температура, при которой F = E D , ее можно определить из условия Температура, при которой происходит этот переход, называется температурой истощения примеси. Условием перехода будет выступать равенство p = N D или n =2 N D , откуда можно найти эту граничную температуру: Основные формулы для дырочного полупроводника: Зависимость концентрации дырок от температуры в области низких температур: Реальные полупроводниковые материалы содержат обычно примеси нескольких типов, каждая из которых может создавать один или несколько уровней в запрещенной зоне полупроводника. Дефекты решетки, обычно нейтральные в состоянии термодинамического равновесия и способные захватывать подвижные носители заряда одного знака и освобождать их, называются ловушками захвата. Ограничимся рассмотрением случая, когда в полупроводнике имеется один тип ловушек, создающий энергетический уровень. Время жизни носителей заряда определяется формулой Расчет s ( T ). Формулы для подвижности. Удельная электропроводность примесных полупроводников определяется по формуле s = qn m n для донорного и по формуле s = qp m p для акцепторнрго полупроводника. Для вычисления s ( T ) необходимо найти температурную зависимость подвижности. Кремний является неполярным полупроводником. Для него существуют два основных механизма рассеяния, которые существенно влияют на подвижность, а именно рассеяние на акустических фононах и на ионизированных примесях. При низких температурах, когда число фононов в кристалле сильно уменьшено охлаждением, подвижность определяется рассеянием на ионизованных примесных центрах. Каждый ионизованный центр в кристалле представляет собой неподвижный отрицательный или положительный заряд, который может отклонить траекторию пролетающего электрона. Подвижность, связанная с рассеянием на ионах примеси, описывается формулой Бруккса-Херринга: Подвижность, связанная с рассеянием на акустических фононах описывается формулой Бардина-Шокли: Результирующая подвижность Холловская подвижность m H определяется как произведение коэффициента Холла на проводимость: |
Конституционное (государственное) право России
Маркетинг, товароведение, реклама
Психология, Общение, Человек
Менеджмент (Теория управления и организации)
Экономическая теория, политэкономия, макроэкономика
Педагогика
Юридическая психология
Бухгалтерский учет
Искусство
Банковское дело и кредитование
Уголовный процесс
Микроэкономика, экономика предприятия, предпринимательство
Экономика и Финансы
Политология, Политистория
Программное обеспечение
Социология
История
Литература, Лингвистика
Уголовное право
Международные экономические и валютно-кредитные отношения
Техника
Материаловедение
Религия
Культурология
Физика
Физкультура и Спорт
География, Экономическая география
Философия
Программирование, Базы данных
Экскурсии и туризм
Компьютерные сети
Сельское хозяйство
Гражданская оборона
Теория государства и права
Геология
Медицина
Биология
Нероссийское законодательство
Разное
Экономико-математическое моделирование
Химия
Охрана природы, Экология, Природопользование
Технология
Астрономия
Металлургия
Земельное право
Ветеринария
Транспорт
Математика
Военное дело
Конституционное (государственное) право зарубежных стран
Компьютеры и периферийные устройства
Военная кафедра
История отечественного государства и права
Муниципальное право России
Налоговое право
Таможенное право
Геодезия, геология
Право
Москвоведение
История экономических учений
Государственное регулирование, Таможня, Налоги
Банковское право
Музыка
Компьютеры, Программирование
Международное право
Семейное право
Радиоэлектроника
Финансовое право
Биржевое дело
Архитектура
История государства и права зарубежных стран
Историческая личность
Российское предпринимательское право
Гражданское право
Правоохранительные органы
Ценные бумаги
Криминалистика и криминология
Гражданское процессуальное право
Трудовое право
Административное право
Страховое право
Геодезия
Экологическое право
Пищевые продукты
Здоровье
История политических и правовых учений
Подобные работы
Нетрадиционные источники энергии
echo "Почему же столь обильный доступный и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в э
Межпредметная связь между физикой и биологией
echo "Показати, що знання основ фізики та біології необхідне кожному; а також що явища у фізики відбуваються всюди навколо нас; формування пізнавального інтересу до фізики та біології. Виховна мета: с
Электрический ток в газах
echo "Ионизация газов. Газовый разряд. Газы в нормальном состоянии являются изоляторами. Газ становится проводником, когда он ионизирован. Ионизаторами газа могут служить ультрафиолетовые лучи, ради
Оптика
echo "Первоначально в оптике изучался видимый свет, испускаемый источниками света, - химическими, биологическими, физическими. К физическим источникам относятся раскаленные тела и люминесцентные источ
Хаос
echo "Стрела времени. PAGEREF _Toc158521646 h 9 Заключение . PAGEREF _Toc158521647 h 11 Список литературы .. PAGEREF _Toc158521648 h 13 Введение Понятие хаоса играло немаловажную роль на протяжении вс
Физика твердого тела
echo "Классификация веществ по электропроводности. Все твердые тела по электрофизическим свойствам разделяются на три основных класса: металлы, диэлектрики и полупроводники. Если в основу классификаци
Волновые свойства микрочастиц
echo "Французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи нар
Частичное эффективное подавление гравитации
echo "Талантливый американский физик Томас Браун использовал открытый им же эффект Бифельда-Брауна для создания подавителя гравитации (гравитора). Эффект заключался в поступательном движении плоского