Полупроводники и их применение

 
 
 
 
 
 
 

Полупроводники  и их применение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение...................................................................................................3
2. Полупроводники и их применение.........................................................4
1. Зонная теория полупроводников..................................................4
2. Собственная проводимость полупроводников............................5
3. Примесная проводимость полупроводников...............................8
4. Фотопроводимость полупроводников........................................10
5. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)...............11

 

3. Применение  полупроводников. ............................................................13
1. Схемы включения и применения фотоэлектронных приборов..................................................................................................14
2. Динамические свойства АИМС..................................................18
4. Вывод.......................................................................................................21

 

5. Использованная  литература...................................................................22

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Введение

Цели  работы:

      Получить  четкое представление о том, что такое полупроводники и их применение. Узнать, как проходит проводимость полупроводников, их свойства и особенности.  

      Полупроводники  как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность. Полупроводниками называют вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей промежуточное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер.

        Задолго до этого были обнаружены:

      • эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник.

      • фотопроводимость.

      Были  построены первые приборы на их основе.

      О. В. Лосев (1923) доказал возможность  использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 - х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике). Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).

        В СССР изучение полупроводников  начались в конце 20 - х годов под руководством академика А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.

        Интерес к оптическим свойствам  полупроводников возрос всвязи  с открытием вынужденного излучения  в полупроводниках, что привело  к созданию полупроводниковых  лазеров вначале на  p - n - переходе, а затем на гетеропереходах. 

      В последнее время большее распространение  получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали  изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки. 

      2. Полупроводники и их применение.

      Полупроводниками называют вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей промежуточное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер.

      К полупроводниковым материалам относится  большинство минералов, неметаллические  элементы IV, V. VI групп периодической системы Менделеева, неогранические соединения (оксиды, сульфиды), некоторые сплавы металлов, органические красители. Широко применяемые полупроводниковыми материалами являются элементы IV группы периодической системы Менделеева – германий и кремний.

      Различают собственные и  примесные полупроводники.  

      2.1. Зонная теория твердых тел.

      В основе зонной теории лежит адиабатическое приближение. Квантово-механическая система  разделяется на тяжелые и легкие частицы – ядра и электроны. Поскольку  массы и скорости этих частиц знаительно различаются, движение электронов происходит в поле неподвижных ядер, а медленно движущиеся ядра находится в усредненном поле всех электронов. Вследствии этого движение электрона рассматривается в постоянном переодическом поле ядер.

      Зонная теория теория твердых тел позволила истолковать существования металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различия в их электрических свойствах:

      • неодинаковое заполнение электронами  разрешенных зон.

      • ширина запрещенных зон.

      Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующих атомных уровней. Если при этом какой-то энергетический уровень полностью заполнен, то образующаяся энергетическая зона также заполнена целиком. В общем случае можно говорить о валентной зоне, которая полностью заполнена электронами и образована из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов, и в зоне проводимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена электронами, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних коллективизированных электронов изолированных атомов.

      Различие  между металлами и диэлектриками  с точки зрения зонной теории состоит  в том, что при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в  зоне проводимости диэлектриков они  отсутятвуют. Различие же между проводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка, для полупроводников – достаточно узка . при температурах, близких к 0 К, полупроводнки ведут себя как диелектрики, так как переброса электронов в зону проводимости не происходит. С повышением температуры у полупроводников растет число электронов, которые вследствии теплового возбуждения переходят в зону  проводимости, т.е. электрическая проводимость проводников в этом случае увеличивается. 

      2.2. Собственная проводимость полупроводников.

      Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется некоторое число носителей тока — электронов, занимающих уровни вблизи дна зоны; одновременно в валентной зоне  освобождается такое же число мест на верхних уровнях. Такие свободные от электронов места на уровнях заполненной при абсолютном нуле валентной зоны называют дырками.

      Распределение электронов по уровням  валентной зоны и  зоны проводимости определяется функцией Ферми. Вычисления показывают, что уровень Ферми лежит точно посредине запрещенной зоны (рис.1). Следовательно, для электронов, перешедших в зону проводимости, величина W—W_F мало отличается от половины ширины запрещенной зоны. Уровни зоны проводимости лежат на хвосте кривой распределения. Поэтому вероятность их заполнения электронами можно находить по формуле:

(1.1)

      Количество  электронов, перешедших в зону проводимости, будет

пропорционально вероятности (1.1). Эти электроны, а  также, как мы увидим ниже, образовавшиеся в таком же числе дырки, являются носителями тока.

      

(Рис.2)

        Поскольку ,проводимость пропорциональна числу носителей, она также должна быть пропорциональна    выражению (1.1). Следовательно, электропроводность полупроводников быстро растет с температурой, изменяясь по закону:

      

(1.2)

      где ΔW—ширина запрещенной зоны.

      Если  на графике откладывать зависимость 1n σ от 1/T, то для полупроводников  получается прямая линия, изображенная на рис. 2. По наклону этой прямой можно  определить ширину запрещенной зоны ΔW.

      Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева — германий и кремний. Они образуют решетку, в которой каждый атом связан ковалентными (парно-электронными) связями  с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. Условно такое взаимное расположение атомов можно представить в виде плоской структуры, изображенной на рис. 3. Кружки со знаком «+» обозначают положительно заряженные атомные остатки (т. е. ту часть атома, которая остается после удаления валентных электронов), кружки   со   знаком   «—»— валентные электроны, двойные линии—ковалентные связи.

      При достаточно высокой температуре  тепловое движение может разорвать отдельные пары, освободив один электрон (такой случай показан на рис. 3).

      Покинутое электроном место перестает быть нейтральным, в его окрестности возникает избыточный положительный заряд + е — образуется дырка. На это место может перескочить электрон одной из соседних пар. В результате дырка начинает также странствовать по кристаллу, как и освободившийся электрон.

      

(Рис.3)

      Если  свободный электрон встретится с дыркой, они рекомбинируют    (соединяются). Это означает, что электрон нейтрализует избыточный   положительный заряд, имеющийся в окрестности дырки, и теряет свободу передвижения до тех пор, пока снова не получит от кристал

      лической  решетки энергию, достаточную для  своего высвобождения. Рекомбинация приводит к одновременному исчезновению свободного электрона я дырки. На схеме уровней (рис. 1) процессу рекомбинации соответствует переход электрона из зоны проводимости на один из свободных уровней валентной зоны.

      Итак, в полупроводнике идут одновременно два процесса: рождение попарно свободных  электронов и дырок и рекомбинация, приводящая к попарному исчезновению электронов и дырок. Вероятность первого процесса быстро растет с температурой. Вероятность рекомбинации пропорциональна как числу свободных электронов, так и числу дырок. Следовательно, каждой температуре соответствует определенная -равновесная концентрация электронов и дырок, величина которой изменяется с температурой по такому же закону, как и σ.

      В отсутствие внешнего электрического поля электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электронов против поля и дырок — в направлении поля. Оба движения — и дырок, и электронов — приводят к переносу заряда вдоль кристалла. Следовательно, собственная электропроводность обусловливается как бы носителями заряда двух знаков— отрицательными электронами и положительными дырками.

        Собственная проводимость наблюдается  во всех без исключения полупроводниках при достаточно высокой температуре. 
 
 
 

      2.3. Примесная проводимость.

      Этот  вид проводимости возникает, если некоторые атомы данного полупроводника

     Рис.4

заменить  в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. На рис. 4 условно изображена решетка германия с примесью 5-валентных атомов фосфора. Для образования ковалентных связей с соседями атому фосфора достаточно четырех электронов. Следовательно, пятый валентный электрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения, образуя странствующий свободный электрон. В отличие от рассмотренного раньше случая образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е. образованием дырки. Хотя в окрестности атома примеси возникает избыточный положительный заряд, но он связан с этим атомом и перемещаться по решетке не может. Благодаря этому заряду атом примеси может захватить приблизившийся к нему электрон, но связь захваченного электрона с атомом будет непрочной и легко нарушается вновь за счет тепловых колебаний решетки.