(495)510-98-15
Меню
Главная »  Классификация электронных систем 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184

Совокупность смещенных энергетических уровней образует энергетическую зону в кристалле. В зависимости от электронной структуры атомов и решетки кристалла между энергетическими зонами могут либо сохраниться запретные полосы, либо их может и не быть.

Эти две возможности, а также ширина запретной зоны определяют три класса кристаллических тел: проводники, полупроводники и диэлектрики; их энергетические диаграммы приведены на рис. 1.11.

Диаграмма рис. 1.11, а относится к металлу. К валентной зоне уровней ВЗ, полностью занятых электронами при температуре абсолютного нуля, примыкает зона свободных уровней СЗ. Для перехода электронов из валентной зоны в зону свободных уровней достаточно воздействовать на валентные электроны фононами самых


Г

W(U)

С 3±

Рис. 1.11. Энергетические диаграммы металла (а), полупроводника (б) и диэлектрика (в)

малых энергий. Поэтому уже при температуре, близкой к 0° К, число свободных электронов в металле велико, чем достигается высокая его удельная проводимость.

Диаграмма рис. 1.11, б относится к полупроводникам. Между валентной зоной ВЗ и зоной свободных уровней СЗ существует запретная полоса ЗП с шириной <р3. Эта полоса определяет собой ту энергию (в электрон-вольтах), которую надо сообщить электрону, расположенному на верхнем энергетическом уровне в валентной зоне, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень в зоне свободных уровней. При отнесении энергии к одному электрону ее обычно исчисляют в вольтах. При той ширине запретной полосы, какая имеется у полупроводников (ср3 = 0,7- 1,1 в), необходима температура кристалла порядка 80-100° К, для того чтобы получить значительное число электронов в зоне свободных уровней, т. е. достаточную проводимость кристалла. С повышением температуры запретная полоса уровней несколько сужается. Например, при переходе от Т = 0° К к Т = 300° К запретная полоса у германия сужается от 0,72 до 0,67 в, а у кремния - с 1,15 до 1,02 е.



Диаграмма рис. 1.11, в относится к кристаллам, обладающим свойствами диэлектрика. Здесь запретная полоса много больше, чем у полупроводников (порядка 6-10 е). Для перехода электрона из валентной зоны в зону свободных уровней требуется уже значительно большая энергия. Поэтому заметная проводимость у диэлектриков появляется только при температурах не ниже 400- 800° С.

При рассмотрении полупроводников, из которых изготовляются вентили, нас прежде всего интересуют германий и кремний.

Эти полупроводники принадлежат к IV группе периодической системы элементов. В валентных оболочках их атомов находятся четыре электрона (рис. 1.12, а). При отсутствии структурных дефектов в решетке все валентные электроны при температуре абсолютного нуля участвуют в так называемой парно-электронной связи.

Атом германия

присталл германия

1-е

д

Зона б проводимости

Запретная


Валентная % зона

Рис. 1.12. Валентная структура атома германия (а), возникновение свободного электрона и дырки в кристалле (о) и отражение этого процесса в энергетической диаграмме (в)

Эта связь характеризуется охватом валентной оболочкой атома также и одного из соседних атомов. Электроны в таких оболочках принадлежат обоим атомам. Число валентных оболочек определяет, таким образом, число связей данного атома с соседними.

Так, при наличии четырех валентных электронов у атома, как у германия и кремния, каждый атом при формировании кристалла связывается парко-электронной связью с четырьмя соседними. Парно-электронные связи на рис. 1.12, б условно обозначены двумя параллельными прямыми, связывающими атомы, расположенные в соседних узлах кристаллической решетки.

С повышением температуры кристалла до значения, при котором энергия фонона оказывается достаточной для нарушения связи валентного электрона с атомами решетки, электрон освобождается от связей и становится свободным, имея возможность перемещаться между узлами решетки.

Энергетический уровень, который занимал в валентной зоне освободившийся электрон, становится вакантным. Вакантный уровень называется дыркой . Отсутствие электрона в валентной связи равносильно наличию в данном месте положительного заряда, поэтому такой заряд и приписывается дырке (рис. 1.12, б).



В энергетической диаграмме отрыв электрона от связей с атомом отражается как появление электрона в зоне свободных уровней и положительной дырки в зоне валентных уровней (рис. 1.12, е).

Зависимость концентрации электронов п в свободной зоне и р дырок, возникших в валентной зоне в такой же концентрации, связана с температурой Т нагрева кристалла следующей зависимостью [4]:

п = р = Аё~ш, (1.11)

где А - физическая постоянная, численное значение которой зависит от рода кристалла; k - 1,37 10~23 дж/град - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура, °К.

Из (1.11) следует, что концентрация свободных электронов и дырок тем больше, чем уже запретная полоса и выше температура кристалла.

Дырка, так же как и освободившийся от связей электрон, может свободно перемещаться внутри кристалла. Движение дырки является лишь формальным результатом фактического перемещения электронов по вакантным уровням (дыркам). Действительно, электрон при приближении к дырке заполняет (компенсирует) ее. В результате дырка исчезает и восстанавливаются все валентные связи у данного атома, но возникает новая дырка в той валентной оболочке, из которой пришел электрон. Исчезновение дырки в одном месте кристалла и появление ее в другом и учитывается (условно) как движение дырки.

Смысл учета движения дырок .как самостоятельных агентов заключается в разной подвижности свободных электронов и электронов, перемещаюиуихся по вакантным уровням.

При отсутствии поля в кристалле, созданного внешним напряжением, и достаточно равномерном распределении концентрации электронов и дырок по всему объему кристалла движение электронов и дырок является чисто хаотическим, т. е. равномерно распределенным по всем направлениям.

При неравномерном распределении концентрации носителей (и отсутствии поля) они перемещаются по законам диффузии, переходя из области больших в область меньших концентраций. Диффузионное движение, являющееся одним из основных в полупроводниковых средах, подчиняется следующей закономерности [4]:

плотность диффузионного тока; заряд носителя;

изменение концентрации на единицу длины (градиент концентраций);

гае /диф -

<7 -



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184



© 2018 ООО "Стрим-Лазер": Лазерная гравировка.
Все права нотариально заверены. Копирование запрещено.