Félvezetők - studopediya

1. Semiconductors - kristályos anyag, amelynek vegyérték sáv teljesen ki van töltve elektronok, és a gerjesztési összehasonlítva a dielektromos zónák nem nagy, és kb Pl »1 eV. A nagysága az elektromos vezetőképesség T> 0 K félvezetők köztes között fémek és szigetelők.

2. Sobstvennyepoluprovodniki - egy kémiailag tiszta félvezetők. Ezek közé tartoznak bizonyos, kémiailag tiszta elemek (szilícium-Si, germánium Ge, szelén Se, tellúr Te), és számos kémiai vegyületek (gallium-arzenid GaAs, indium-arzenid InAs, InSb antimonidból, indium, Karbid Kremniya SiC, stb).

A T = 0 K intrinsic félvezető vegyértéksávja teljes személyzettel (Fig.109 balra), a vezetési sáv felett található a vegyérték sáv a régióban Pl. Ez üres. Ezért, a T = 0 K intrinsic félvezető, mint a szigetelő nulla vezetőképessége.

Amikor a hevítés lép fel a termikus gerjesztésére vegyérték-sáv elektronok. Némelyikük szerez elég energiát, hogy felszámolja a tiltott sáv és az átmenetet a vezetési sáv (Fig.109 jobbra). Ennek eredményeként, a vezetési sáv szabad elektronok jelennek meg. és a vegyérték sáv - ingyenes szintre - lyuk. ahol elektronok áthaladhat ezen a területen. Ha egy ilyen kristály alkalmazni elektromos feszültség keletkezik abban elektromos áram, amely áll az elektron áram a vezetési sávban, és a lyuk jelenlegi a vegyérték sáv.

lyukvezetés mechanizmus abból áll, hogy a jelenlétében lyukak (állások) bármely, szorosan elhelyezett kötő elektronok tudja mozgatni a helyét lyuk. Ez a lyuk eltűnik, de máshol is szerepel. Ha létezik a kristály elektromos mezőt egy külső forrásból, például lyuk-helyzetben pozitív töltést mozog a villamos tér irányában. Így vannak két különböző félvezető vezetőképesség folyamat. Elektronikus. végzett mozgása által elektronok a vezetési sávban, és a lyuk. miatt mozgás az elektronok a vegyérték sáv.

A szilárd állapot elmélete lyuk értelmezni, mint egy kvázi-részecske egy pozitív töltés + E és az észlelt effektív tömeg, és a lyuk vezetőképesség - egy irányított eltolódás a részecskék - lyukak. A termikus egyensúly, elektronok hajlamosak elfoglalni a legalacsonyabb energiaszintet, úgy, hogy a lyukak a mennyezeten vegyértékelektronját, ahol a sebesség nulla. A lyuk pozitív effektív tömeg számszerűen egyenlő a negatív effektív tömegének egy elektron a vegyérték sáv. Eltekintve elektron átmenetek a kötött (vegyérték) állapotban létezhetnek szabad fordított átmenetek, amelyek vezetési elektronok csapdába egyik üres helyek elektron kötések. Ezt a folyamatot nevezik rekombinációs elektronok és lyukak. A egyensúlyi állapot jön létre, ez a koncentráció az elektronok és a lyukak, ahol a közvetlen és fordított átmenetek ugyanaz. A Fermi szint a tiszta félvezető körülbelül a közepén a sávú.

3. Szennyeződés félvezetők. Útmutatók minden tisztasága mindig tartalmaznak szennyező atomok létre saját úgynevezett szennyezési szintek. Ezek a rétegek lehetnek elrendezve mind a felbontás és a tiltott zónák különböző távolságokban a vegyérték sáv és az alján a vezetési sávban. szennyező gyakran be konkrétan, hogy a szükséges félvezető tulajdonságokat. Kétféle szennyező vezetés: a donor és akceptor. Nézzük őket.

4. A donor szennyeződés. Hagyja Ge négy vegyértékű germánium kristály atomok bevezetett öt vegyértékű arzén As. Ennek eredményeként, részben a germánium atom helyén arzén atomok. Az egyes tiszta germánium kristály Ge atom körül négy legközelebbi szomszédok, minden egyes szomszéd Ge atom kollektivizálták egyike szerinti négy vegyérték elektronok. Ha ahelyett, germánium Ge atom öt vegyértékű arzén atom, ő is szocializációját négy szomszéd négy vegyérték elektronok.

Ötödik elektron vegyértéke héj arzén nincs helye ebben a borítékot, és arra kényszerül, hogy mozog, hogy egy távolabbi szinten (Fig.110). Ebben az esetben a közte és a arzén atomok könnyen polarizálható elektron felhők vegyértékkötéseket. Feltéve, ezek a felhők dielektromos állandója germánium e = 16. Ezért, a arzén-ion elektron vonzás legyengített e-szer, és a távolság a a Atom tovább növekedett.

Abban a nagy távolságok arzén ion területen lényegében egybeesik területén ponttöltés + e. Schrödinger egyenlet egy elektron független arzén ugyanúgy néz ki, mint egy elektron hidrogénatom, azzal a különbséggel, hogy ahelyett, hogy a tényleges súlya a elektron effektív tömeg magában foglalja azt a vezetési sávban. Az energia az elektron ionokkal Amint + a következő kifejezést :. (15.1)

Az effektív elektron tömeg Németországban Teff Teff = 0,22te. Amikor e = 16, megkapjuk E = 0,01 eV. Ha egy ilyen jelentést elektron energia, elválik atom és megszerezni a képességét, hogy szabadon mozogjanak a rács a germánium Ge, egyre elektronkibocsátó. Ebben a sávban modell nyelvet lehet értelmezni, hogy az arzén szennyezés szintje alján található a vezetési sáv, elválasztva azt a távolságot E = 0,01 eV. Amikor jelentési ilyen szennyező energiájú elektronok átkerülnek a vezetési sávban (Fig.111). Alakult ez lokalizált pozitív töltést álló arzén atomok és a vezetőképesség nem vesznek részt.

A szennyeződések, amelyek forrása vezetési elektronok nevezik donor. és az energia urovni- donor szintet. Semiconductors tartalmazó donor szennyezőt, úgynevezett elektronikus vagy n-típusú félvezetők.

5. elfogadó szennyeződést tartalmaz. Tegyük fel, hogy egy tetravalens Ge kristály germánium atomok bevezetett háromértékű indium (ris.112). Hogy létrehozzák a kapcsolatot a négy legközelebbi szomszédok a indium atom hiányzik egy elektron. Ennek eredményeként, a rendszer a vegyértékkötéseket üresedés amelyet elfoglalhatnak egy elektron a legközelebbi bármely vegyértékkötés. Amikor elektron távozása a kapcsolat van egy pozitív lyuk. Indium atom kötődés révén az extra elektron alakítjuk egy negatív töltésű ion, egy lyuk van kialakítva a területén ion és vonzotta hozzá. A T = 0 K, egy lyuk megmarad a közelében a szennyező atom.

A kötési energiája a lyukakat a szennyező atom kicsi és E „0,01 eV. Amikor a kristály melegítjük, a furat megkapja ezt az energiát elhagyja a indium atomok és szabaddá válik. Az energia diagram (ris.113) töltetlen szintek indium atomok vannak elrendezve közvetlenül a vegyérték sáv a régióban E „0,01 eV.

A germánium sávrés Pl = 0,66 eV zóna úgy, hogy a távolság a vegyérték sáv és a szennyező szint kisebb, mint 66-szor a rés szélessége a kristályban.

Az elektronok kapcsolódó atomok indium, elveszíti azt a képességét, hogy mozog a germánium rács, és nem vesz részt a vezetés. A töltéshordozók csupán a lyukak, amelyek merültek fel a vegyérték sáv.

Szennyező izgalmas elektronokat vegyértékelektronját az úgynevezett elfogadó. és az energia urovni- elfogadó szintet. Semiconductors tartalmazó ilyen szennyeződések nevezzük lyuk félvezetők vagy félvezetők p - típusú.

Szennyeződés atomok más csoportoktól a periódusos rendszer formájában szintek távol helyezkedik el a vezetési sáv és távol a vegyérték sáv. Ezért nincs észrevehető hatása a vezetőképessége félvezetők, de nagyban befolyásolja a termelés és rekombináció elektronok és lyukak.

6. A bázikus és nem-bázikus töltéshordozók félvezetők. Vagy mindig van egy igazi félvezető vezetési elektronok és lyukak. A tiszta félvezető ezek koncentrációja ugyanaz. A félvezetők, n vezetési típusú uralja elektronok, míg a p-típusú félvezetők a lyukba túlsúlyban. Az uralkodó töltéshordozók nevezzük többségi töltéshordozók képviselt kisebbségi - kisebbség.

7. A függőség elektromos vezetőképességét félvezetők hőmérséklet. Thermistors. A hőmérséklet az abszolút nulla elektromos vezetőképesség, mint egy ideálisan tiszta (intrinsic vezetőképesség), és a szennyező félvezető legyen nulla. A bandgap félvezetők van tiszta Pl = 0,5¸1 eV, és az energia távolság a donor és az akceptor szennyező anyagok szintjének a félvezetők tízszer alacsonyabb, E = 0,01 eV. Ezért, melegítésével a félvezető kiindulva a T = 0 K előtt izgatott szennyezési szintek. Az elektromos vezetőképesség adalékolt félvezetők gyorsabban növekszik, mint a net.

On ris.114 összehasonlítja az vezetőképessége tiszta félvezető (1 görbe) a vezetőképesség-típusú szennyeződés félvezető N (2-es görbe) különböző hőmérsékleteken. Eleinte szennyező vezetőképesség lényegesen előbbre önálló és növeli közel lineárisan hőmérsékletet. Egy bizonyos hőmérséklet T1 történik teljes ionizáció a donorok, és a szennyező vezetőképesség növekedése megszűnik. Egy bizonyos hőmérséklet T2> T1 kezdődik intenzív ionizációs tényleges félvezető. Függetlenül attól, hogy milyen típusú félvezető vezetőképesség gyorsan növekszik, és a T> T1 lehet képletű :. (15.2)

Ha logaritmusai képletű (15,2), és ábrázoltuk a függőség ln g 1çT. kiderül egy egyenes vonal a saját félvezetők. Az így kapott egyenes meg tudja határozni a szélessége sávú Pl.

A növekedés az elektromos vezetőképesség a félvezetők a hőmérséklet növekedésével igen jelentős. Például, ha a germánium-ra melegítünk 100 K és 600 g vezetőképessége növekszik 17 nagyságrenddel. Az ilyen erős függését g (T) lehet használni mérésére hőmérséklet félvezetők. A gyártási hőmérséklet-érzékeny ellenállás (termisztorok) használunk általában tiszta fém-oxidok vagy ezek keverékei a ZnO, MgO, Fe3 O4. MnO, MgAl2 O4. ZnTiO4.

A hőmérsékleti együttható a fajlagos ellenállás r negatív, és termisztorok (ris.115). Thermistors széles körben használják a áramkörök automatikus hidak és potenciométerek kapcsolatos szabályozási mechanizmusok.

8. fényabszorpciónak által félvezetők. Fotorezisztek. Mint bármely más anyag, félvezetők képes elnyelni a fényt ráeső. Megkülönböztetése intrinsic és extrinsic felszívódását. Ha megfelelő energiaelnyelő belépő fény a félvezető, az elektronok elfogyasztott gerjesztés és átmenet vegyértékelektronját a vezetési sávban. Összhangban a törvény az energiamegmaradás, abszorpció csak akkor következhet be abban az esetben, hogy az energia a fénymennyiség hn nem kevesebb, mint a tiltott sáv Eg övezetben. hn ³ Pl. Innen megtalálja a maximális hullámhossza Imax szívódik. . (15.3)

Itt - a fény sebessége. A szilícium, például Pl = 1,1 eV, m.

Az adalékolt n-típusú félvezetők elektronok a donortól szintek mozoghat a vezetési sávban, és a szennyező félvezető p - típusát a vegyérték sáv, hogy az akceptor szinteket. Ezt a szennyeződést felszívódását. ez az abszorpciós él eltolódik a hosszabb hullámhosszak, annál erősebb az alacsonyabb az energia a megfelelő átmenetifém. Azonban, ha a szennyező atomok ionizált már a szennyező felszívódását fognak tűnni. A hosszú hullámhosszú abszorpciós a szennyező félvezető kell egy T hőmérséklet alacsonyabb, mint az a hőmérséklet T1 szennyező kimerülése (ris.114). Például egy, a germánium Ge adalékolt arany Au (szennyező ionizációs energia E = 0,08 eV) m hosszúhullámú abszorpciós figyelhető csak akkor, ha a hőmérséklet a folyékony nitrogén reflux T = 77 K, és a germánium-adalékolt Sb antimont (E = 0,01 eV) -felvétel a mikron volt megfigyelhető csak a folyékony hélium hőmérsékletén T £ 4 K.

Amikor a belső és külső fény abszorpcióját, amelynek felesleges szabad hordozók. Ezek jelenléte növekedéséhez vezet az elektromos vezetőképessége a félvezető. A folyamat a felszabadító elektronok a vegyértékkötéseket nevezett belső fotoelektromos hatás. Inkrementális vezetőképességű félvezető megszerzett fénnyel való besugárzás nevezzük fényvezető. En vezetőképesség miatt termikus mozgás a szabad töltéshordozók, az úgynevezett sötét. Eszközök, amelyek lehetővé teszik, hogy rögzítse fénykibocsátás útján a jelenség a fényvezető, az úgynevezett fotoellenállások.

Photoresistor tipikusan egy félvezető filmet két ohmos kapcsolatok, ragasztott szigetelő (Fig.116). A érzékelő elem legyen kellően vastag, úgy, hogy elnyeli a fényáram, ahol R - reflexiós * 0 - beeső fényáramot. Ebben az esetben, az N száma pár menesztőt az intrinsic abszorpciós, a fény által generált időegység alatt. (15.4)

Amennyiben h - a belső kvantum hatásfoka a fényelektromos hatás, egyenlő a párok száma a hordozók születnek átlagban minden felszívódik foton. Ez lehet több mint 1, ha a felszívódását egy foton energiája nagy született két vagy több elektron-lyuk párok, és kisebb, mint egy, ha egy részét a fotonok által abszorbeált szabad hordozók.

Jellemzően photoresistor előállított keverékek CdTe, CdSe, Si, Ge, Cu2 O, InSb és mások. Ezek a szelektív fényérzékenység bizonyos hullámhosszon. A jellemző közülük - a kis szélessége a tiltott sávban. Például, InSb ez 0,18 eV. Az időállandó a fotókonduktort meghatározó, hogy a tehetetlenség, abban rejlik, hogy a távolság 10 -3 10 -8 másodpercig. Kapcsolati Rmax / Rmin fényelektromos június 10. elérheti.