Файл: 1. Классификация материалов по электрическим свойствам. Виды проводников, полупроводников, диэлектриков с примерами.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.04.2024
Просмотров: 25
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
К, называют уровнем Ферми (или энергией Ферми и обозначают EF).
Металлический блеск также связан с наличием свободных электронов. Так как их плотность в металле достигает значений практически до 10^8 см^3 , то даже очень тонкий слой вблизи поверхности (больше 10-4 мм) отражает большую часть падающего на поверхность оптического излучения. Под влиянием падающего электромагнитного излучения, к которому относится и оптическое излучение, свободные электроны переходят в возбужденное состояние и затем при переходе в основное состояние излучают вторичные электромагнитные волны. Совокупность вторичных электромагнитных волн и создает отраженную волну
В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:
механические смеси;
химические соединения;
твердые растворы.
Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов, входящих в него компонентов. В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.
Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.
Особенности этих сплавов:
Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm/
Образуется специфмческая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис. 4.2)
Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.
Характерной особенностью твердых растворов является:наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.
Твердый раствор состоит из однородных зерен
9. Зонная теория металлов. Распределение электронов по энергиям. Энергия Ферми. Скорость дрейфа, подвижность электронов
10. Электропроводность металлов. Зависимость тока от электрического поля. Механизмы рассеяния электронов
Сопротивление металлов прохождению электрического тока связано с процессами рассеяния электронов проводимости. Существует два основных механизма рассеяния: 1) столкновение электронов с локальными неподвижными центрами – примесями, дефектами и другими нарушениями кристаллической решетки; 2) рассеяние электронов тепловыми колебаниями кристаллической решетки (фононами). Траектория единичного электрона, если рассматривать ее с корпускулярной, а не волновой точки зрения, представляет собой последовательность прямых отрезков между точками столкновений. Длина любого из этих прямых отрезков, определенная как средняя из многих таких отрезков, является средним свободным пробегом. Средний промежуток времени между последовательными столкновениями частицы является средним временем свободного пробега. Все время, пока частица свободна, она может ускоряться электрическим полем. Это ускорение увеличивает скорость, которой частица уже обладает. При следующем столкновении частица отдает решетке избыток импульса, который она получила со времени последнего столкновения. При этом не обязательно при каждом столкновении передается весь приобретенный импульс. Частица может испытать несколько последовательных упругих столкновений, а затем передать накопленный излишек импульса решетке за один удар. Действительный путь частицы очень изломан, так как он постоянно прерывается столкновениями, которые частица испытывает с атомами решетки, другими частицами, примесями, поверхностями образца и т.п
11. Зонная структура собственных полупроводников. Процессы генерации и рекомбинации. Уровень Ферми
Зонная структура полупроводников
Вещества, в которых при температуре абсолютного нуля верхняя из заполняемых электронами энергетических зон (валентная зона) и нижняя из незаполняемых энергетических зон (зона проводимости) не перекрываются, составляют классы полупроводников и диэлектриков
В полупроводниках энергетический зазор между разрешенными для электронов зонами, называемый “запрещенной зоной”, не очень велик (порядка 1 эВ), что приводит к появлению в зоне проводимости заметного числа свободных электронов при Т > 0 К. В отличие от металлов изменение концентрации свободных носителей - электронов и дырок - может изменятся под влиянием температуры, освещения или относительно малого (порядка 0,1-1 %) количества примесей. От диэлектриков полупроводники отличаются значительно большей удельной проводимостью.
Рассмотрим энергетическую диаграмму собственного полупроводника, т.е. полупроводника, кристаллическая решетка которого в идеальном случае не содержит примесных атомов
При температуре выше абсолютного нуля тепловое возбуждение приводит к перебросу части электронов из валентной зоны через запрещенную зону на дно зоны проводимости.
Следовательно, носителями зарядов в полупроводниках являются электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Совокупное поведение электронов валентной зоны можно представить, как движение дырок.
Процесс образования свободных электронов и дырок под воздействием тепла называют тепловой генерацией. Она характеризуется скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Помимо тепловой генерации возможна генерация под воздействием света или каких-либо других энергетических воздействий. Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического движения. Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью рекомбинации R, определяющей количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени.
Статистика ферми-Дирака
Под действием внешнего электрического поля движение носителей заряда приобретает направленный характер. При этом перемещение дырки к отрицательному полюсу источника можно представить, как эстафетный переход валентных электронов от одного атома к другому в направлении против поля.
12. Зонная структура примесных полупроводников. Донорные и акцепторные уровни. Генерация носителей в примесных полупроводниках
Примесные полупроводники
Полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо четырехвалентных атомов содержит атомы с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов
, называют примесными.
Если валентность примесных атомов больше валентности основных атомов, то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в ковалентной связи, то есть становится лишним и легко отрывается от атома, становясь свободным. Такой полупроводник называют электронным, или полупроводником n-типа, а примесные атомы называют донорами.
Типичными донорами для кремния и германия являются мышьяк, фосфор, сурьма.
В электронном полупроводнике из-за наличия пятивалентных примесных атомов в пределах запрещенной зоны вблизи дна зоны проводимости появляются примесные уровни Ed. Поскольку на один примесный атом приходится примерно 10^6-10^8 атомов основного вещества и расстояние между ними большое, то они практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому примесные уровни не расщепляются, и их изображают как один локальный уровень, на котором находятся «лишние» валентные электроны, не занятые в ковалентных связях.
Энергетический интервал Ed=Ec-Ed называют энергией ионизации доноров. Электроны, находящиеся на уровне Ed переходят с этого уровня в зону проводимости. При комнатной температуре практически все доноры ионизированы, поэтому концентрация электронов примерно равна концентрации доноров.
Наряду с ионизацией примеси в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, но количество образующихся при этом электронов и дырок существенно меньше, чем в собственном полупроводнике. Это объясняется тем, что электроны, полученные в результате ионизации донорных атомов, занимают нижние энергетические уровни зоны проводимости и переход электронов из валентной зоны может происходить только на более высокие уровни зоны проводимости. Но для таких переходов электроны должны обладать более высокой энергией, чем в собственном полупроводнике, и поэтому значительно меньшее число электронов способно их осуществить.
В электронном полупроводнике концентрация дырок pn меньше концентрации pi.
В дырочном полупроводнике за счет введения трехвалентных примесных атомов в пределах запрещенной зоны появляется примесный уровень Ea, который заполняется электронами, переходящими на него из валентной зоны.
Металлический блеск также связан с наличием свободных электронов. Так как их плотность в металле достигает значений практически до 10^8 см^3 , то даже очень тонкий слой вблизи поверхности (больше 10-4 мм) отражает большую часть падающего на поверхность оптического излучения. Под влиянием падающего электромагнитного излучения, к которому относится и оптическое излучение, свободные электроны переходят в возбужденное состояние и затем при переходе в основное состояние излучают вторичные электромагнитные волны. Совокупность вторичных электромагнитных волн и создает отраженную волну
В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:
механические смеси;
химические соединения;
твердые растворы.
Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов, входящих в него компонентов. В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.
Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.
Особенности этих сплавов:
Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm/
Образуется специфмческая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис. 4.2)
Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.
Характерной особенностью твердых растворов является:наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.
Твердый раствор состоит из однородных зерен
9. Зонная теория металлов. Распределение электронов по энергиям. Энергия Ферми. Скорость дрейфа, подвижность электронов
10. Электропроводность металлов. Зависимость тока от электрического поля. Механизмы рассеяния электронов
Сопротивление металлов прохождению электрического тока связано с процессами рассеяния электронов проводимости. Существует два основных механизма рассеяния: 1) столкновение электронов с локальными неподвижными центрами – примесями, дефектами и другими нарушениями кристаллической решетки; 2) рассеяние электронов тепловыми колебаниями кристаллической решетки (фононами). Траектория единичного электрона, если рассматривать ее с корпускулярной, а не волновой точки зрения, представляет собой последовательность прямых отрезков между точками столкновений. Длина любого из этих прямых отрезков, определенная как средняя из многих таких отрезков, является средним свободным пробегом. Средний промежуток времени между последовательными столкновениями частицы является средним временем свободного пробега. Все время, пока частица свободна, она может ускоряться электрическим полем. Это ускорение увеличивает скорость, которой частица уже обладает. При следующем столкновении частица отдает решетке избыток импульса, который она получила со времени последнего столкновения. При этом не обязательно при каждом столкновении передается весь приобретенный импульс. Частица может испытать несколько последовательных упругих столкновений, а затем передать накопленный излишек импульса решетке за один удар. Действительный путь частицы очень изломан, так как он постоянно прерывается столкновениями, которые частица испытывает с атомами решетки, другими частицами, примесями, поверхностями образца и т.п
11. Зонная структура собственных полупроводников. Процессы генерации и рекомбинации. Уровень Ферми
Зонная структура полупроводников
Вещества, в которых при температуре абсолютного нуля верхняя из заполняемых электронами энергетических зон (валентная зона) и нижняя из незаполняемых энергетических зон (зона проводимости) не перекрываются, составляют классы полупроводников и диэлектриков
В полупроводниках энергетический зазор между разрешенными для электронов зонами, называемый “запрещенной зоной”, не очень велик (порядка 1 эВ), что приводит к появлению в зоне проводимости заметного числа свободных электронов при Т > 0 К. В отличие от металлов изменение концентрации свободных носителей - электронов и дырок - может изменятся под влиянием температуры, освещения или относительно малого (порядка 0,1-1 %) количества примесей. От диэлектриков полупроводники отличаются значительно большей удельной проводимостью.
Рассмотрим энергетическую диаграмму собственного полупроводника, т.е. полупроводника, кристаллическая решетка которого в идеальном случае не содержит примесных атомов
При температуре выше абсолютного нуля тепловое возбуждение приводит к перебросу части электронов из валентной зоны через запрещенную зону на дно зоны проводимости.
Следовательно, носителями зарядов в полупроводниках являются электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Совокупное поведение электронов валентной зоны можно представить, как движение дырок.
Процесс образования свободных электронов и дырок под воздействием тепла называют тепловой генерацией. Она характеризуется скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Помимо тепловой генерации возможна генерация под воздействием света или каких-либо других энергетических воздействий. Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического движения. Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью рекомбинации R, определяющей количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени.
Статистика ферми-Дирака
Под действием внешнего электрического поля движение носителей заряда приобретает направленный характер. При этом перемещение дырки к отрицательному полюсу источника можно представить, как эстафетный переход валентных электронов от одного атома к другому в направлении против поля.
12. Зонная структура примесных полупроводников. Донорные и акцепторные уровни. Генерация носителей в примесных полупроводниках
Примесные полупроводники
Полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо четырехвалентных атомов содержит атомы с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов
, называют примесными.
Если валентность примесных атомов больше валентности основных атомов, то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в ковалентной связи, то есть становится лишним и легко отрывается от атома, становясь свободным. Такой полупроводник называют электронным, или полупроводником n-типа, а примесные атомы называют донорами.
Типичными донорами для кремния и германия являются мышьяк, фосфор, сурьма.
В электронном полупроводнике из-за наличия пятивалентных примесных атомов в пределах запрещенной зоны вблизи дна зоны проводимости появляются примесные уровни Ed. Поскольку на один примесный атом приходится примерно 10^6-10^8 атомов основного вещества и расстояние между ними большое, то они практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому примесные уровни не расщепляются, и их изображают как один локальный уровень, на котором находятся «лишние» валентные электроны, не занятые в ковалентных связях.
Энергетический интервал Ed=Ec-Ed называют энергией ионизации доноров. Электроны, находящиеся на уровне Ed переходят с этого уровня в зону проводимости. При комнатной температуре практически все доноры ионизированы, поэтому концентрация электронов примерно равна концентрации доноров.
Наряду с ионизацией примеси в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, но количество образующихся при этом электронов и дырок существенно меньше, чем в собственном полупроводнике. Это объясняется тем, что электроны, полученные в результате ионизации донорных атомов, занимают нижние энергетические уровни зоны проводимости и переход электронов из валентной зоны может происходить только на более высокие уровни зоны проводимости. Но для таких переходов электроны должны обладать более высокой энергией, чем в собственном полупроводнике, и поэтому значительно меньшее число электронов способно их осуществить.
В электронном полупроводнике концентрация дырок pn меньше концентрации pi.
В дырочном полупроводнике за счет введения трехвалентных примесных атомов в пределах запрещенной зоны появляется примесный уровень Ea, который заполняется электронами, переходящими на него из валентной зоны.
