ответы к зачёту. Что такое разрешенные и запрещенные зоны

• Название: Что такое разрешенные и запрещенные зоны
• Дата: 16.04.2023
• Размер: 29.83 Kb.
• Имя файла: ответы к зачёту.docx
• Тип: Документы; #1065105

1. 
   Что такое разрешенные и запрещенные зоны?
   

Разрешенная зона характеризуется тем, что все уровни ее при 0 К заполнены электронами. Верхняя заполненная зона называется валентной. Зона проводимости характеризуется тем, что электроны, находящиеся в ней, обладают энергиями, позволяющими им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела, например, под воздействием электрического поля.

Запрещенная зона — это зона, в которой отсутствуют энергетические уровни. Следовательно, наличие запрещенной зоны означает, что для перехода в зону проводимости электрону необходимо сообщить энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны.

2. 
   Что такое уровень Ферми?
   

Уровень Ферми — некоторый условный уровень, соответствующий энергии Ферми системы фермионов; в частности электронов твердого тела, играет роль химического потенциала для незаряженных частиц. Статистический смысл уровня Ферми — при любой температуре его заселенность равна 1/2.

Положение уровня Ферми является одной из основных характеристик состояния электронов (электронного газа) в твердом теле. В квантовой теории вероятность заполнения энергетических состояний электронами, определяется функцией Ферми F(E):

, где

Е — энергия уровня, вероятность заполнения которого определяется,

EF — энергия характеристического уровня, относительно которого кривая вероятности симметрична;

Т — абсолютная температура;

k – постоянная Больцмана.

При абсолютном нуле из вида функции следует, что

F(E) = 1 при Е >F;

F(E) = 0 при Е >EF.

То есть все состояния, лежащие ниже уровня Ферми, полностью заняты электронами, а выше него свободны.

3. 
   Что такое собственный полупроводник?
   

Собственный полупроводник – это полупроводник без примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника.

4. 
   Что такое диффузия и дрейф носителей заряда?
   

При воздействии на кристалл полупроводника внешнего электрического поля, например от постороннего источника, свободные дырки и электроны начинают перемещаться во встречных направлениях. Так как перемещение зарядов принято называть электрическим током, то такой ток называется дрейфовым, а само перемещение – дрейфом.

Существует и другая разновидность тока в полупроводнике – диффузионный ток.

Если в одной из частей полупроводника возник избыток каких-либо носителей (например, дырок), то они стремятся распределиться равномерно по всему объему. Такую диффузию не следует путать с химической диффузией, так как в этом случае атомы не перемещаются, а происходит перенос только носителей заряда.

5. 
   Что такое подвижность носителей заряда?
   

Если в полупроводнике создано электрическое поле величины Е, то помимо хаотического появляется направленное перемещение носителей заряда, называемое дрейфом. Скорость дрейфа, v_др, – это скорость, направленная вдоль вектора напряженности электрического поля, усредненная по всем носителям заряда одного знака (электронами или дырками).

6. 
   Как примеси влияют на характеристики полупроводника?
   

На процесс образования свободных электронов и дырок в полупроводнике большое влияние оказывают нарушения правильной структуры кристаллической решетки, а также наличие примесей. Атомы примесей обычно замещают в узлах решетки атомы основного вещества, образуя дефекты замещения. Примесные атомы могут попасть так же в междоузлия и образовать дефекты внедрения.

В полупроводники, используемые для изготовления полупроводниковых приборов, предварительно очищенные от случайных примесей, вводят специальные примеси, обеспечивающие преимущественную концентрацию либо свободных электронов, либо дырок. Для получения преимущественной концентрации электронов в качестве примесей используются вещества с валентностью, превосходящей валентность основного полупроводника. Такие примеси называются донорными. Преимущественная концентрация дырок получается за счет примесей с меньшей валентностью –акцепторных примесей.

7. 
   Как объяснить температурную зависимость концентрации носителей заряда в полупроводниках?
   

С ростом температуры число примесных электронов, перешедших в зону проводимости, довольно быстро увеличивается, а число электронов, оставшихся на донорном уровне, уменьшается - происходит истощение примесного уровня. При некоторой температуре T_s (температуре истощения) все электроны с донорного уровня оказываются переведенными в зону проводимости. Концентрация электронов проводимости в этом случае становится практически равной концентрации донорной примеси N_d в полупроводнике:



Истощение примесных уровней в большинстве полупроводников происходит в области достаточно низких температур.

8. 
   Какими физическими факторами объясняется температурная зависимость подвижности носителей заряда?
   

В идеальной кристаллической решетке свободные носители заряда рассеиваться не будут, обмена энергией с решеткой не происходит, длина свободного пробега носителей  , подвижность носителей также бесконечно велика. В реальных кристаллах всегда имеют место нарушения периодичности кристаллической решетки - дефекты. Различают тепловые дефекты, т.е. отклонение атомов от узлов идеальной решетки при тепловых колебаниях, и дефекты структуры - вакансии, примеси, дислокации и др. На любых дефектах происходит рассеяние электронных волн, и подвижность уменьшается. Два или более механизмов рассеяния (на различных видах дефектов) могут действовать одновременно, и при этом следует оценивать их совместное влияние на подвижность.

9. 
   Что такое электронно-дырочный переход?
   

Электронно-дырочным пере­ходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая - дырочную электропроводность.

На этой стадии важно понять, что полупроводниковый переход представля­ет собой изменение материала с p-типа на n-тип в пределах одной и той же непрерывной кристаллической решетки. При простом соединении образцов материала p-типа и материала n-типа не возникает p-n переход.

10. 
    Как распределяются носители и электрические заряды в различных областях p-n-перехода?
    

Так как концентрация электронов в ­n-по­лупроводнике n_n (основные носители за­ря­да) значительно превышает кон­цен­тра­цию электронов в p-полупроводнике n_p (не­ос­новные носители заряда), то в плоскости контакта возникает диффузия электронов из n-области в p-область. Аналогичные рас­суждения объясняют диффузию дырок из p-области в n-область. Таким образом че­рез p-n-переход протекают диф­фу­зи­он­ные токи J_n диф и J_p диф.

Свободные электроны, переходя в p-по­лупроводник, становятся там неосновными носителями и рекомбинируют с дырками. Одновременно в n-полупроводнике происходит рекомбинация переходящих туда дырок. В ре­зультате рекомбинации на границе p- и n-областей возникает обедненный носителями слой, концентрации свободных электронов и дырок в котором близки к нулю. Этот слой называют запирающим.

Положительные заряды доноров и отрицательные заряды акцепторов в запирающем слое уравновешивают друг друга.

11. 
    Основные положения теории электропроводности.
    

-Атомы всех веществ состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в электрическом поле ядра.

-Электроны в атоме не имеют траектории движения. Быстро движущийся электрон может находиться в любой части пространства, окружающего ядро, и различные положения его рассматриваются как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда.

-Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью (орбитой). Орбиты атома имеют разные размеры.

-Электроны, движущиеся на орбитах меньшего размера, сильнее притягиваются ядром, чем электроны на орбитах большего размера.

-Электроны в атоме перемещаются в пространстве вокруг ядра не по любым, а лишь по определенным — дискретным — орбитам, на которых они могут находиться неограниченно долго без излучения и поглощения энергии.

-На каждой орбите электрон имеет определенное значение энергии, которое называется разрешенным, а энергетический уровень — разрешенным уровнем, который условно отражает энергетическое состояние электрона в атоме. Ближе к ядру находятся электроны, обладающие меньшей энергией. Чем выше энергетический уровень электрона, тем слабее связь его с атомом. По мере увеличения энергии разрешенные уровни (орбиты) располагаются все ближе друг к другу.

12. 
    Токи в полупроводниках.
    

Электрическим током в полупроводниках называется направленное движение электронов к положительному полюсу, а дырок к отрицательному.

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n_n = n_p. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

13. 
    Контактные явления в полупроводнике.
    

Контактные явления в полупроводниках - неравновесные электронные явления, возникающие при прохождении электрического тока через контакт полупроводника с металлом или электролитом, или через контакт двух различных полупроводников (гетеропереход)либо через границу двух областей одного и того же полупроводника с разным типом носителей заряда и разной их концентрацией.

14. 
    Условия равновесия p-n перехода.
    

Р-n переход в равновесном состоянии. Если к р-n полупроводнику не приложено внешнее напряжение, то имеет место равновесное состояние p-n-перехода. При отсутствии внешнего напряжения движение электрических зарядов через p-n переход носит характер диффузии основных носителей заряда из одной области проводимости в другую где они становятся неосновными носителями и через определенное время рекомбинируют с основными носителями.

15. 
    Ширина запорного слоя p-n перехода.
    

Из-за ухода основных носителей заряда, электронов из n - области в р - область и дырок из р- области в n - область, и в результате их рекомбинации, граница между р и n полупроводниками обеднена носителями заряда, и её сопротивление велико по сравнению с сопротивлением остальных областей. Эта граничная область, обладающая большим сопротивлением, называется запорным слоем. По своей протяжённости запорный слой - это слой области пространственного заряда. Ширина этой области зависит от концентрации донорных и акцепторных примесей в n – и р- полупроводниках.

16. 
    Вольтамперная характеристика p-n перехода.
    

Вольтамперная характеристика p-n перехода представляет собой график зависимости тока от напряжения, прикладываемого к нему. Она может быть получена теоретически в виде уравнения или экспериментально. Если экспериментальная характеристика не совпадает с теоретической, то уравнение вольтамперной характеристики (ВАХ) корректируется.

При включении p-n перехода в прямом направлении в результате инжекции возникает прямой диффузионный ток. Плотность прямого тока, проходящего через p-n переход, является суммой j_пр = j_{n_диф} + j_{p_диф}. Она описывается следующей формулой:

,

где D_n, D_p — коэффициенты диффузии электронов и дырок;

p_n0 — концентрация "дырок" в n-полупроводнике;

n_p0 — концентрация электронов в p-полупроводнике;

φ_т = kT/q — температурный потенциал (при 20°C равен 26 мВ);

k = 1.38×10⁻²³Дж/К — постоянная Больцмана;

T — температура в градусах Кельвина;

q = 1.6×10⁻¹⁹Кулона — заряд электрона.

Включение p-n перехода в обратном направлении приводит к обеднению полупроводника в области контакта неосновными носителями и появлению градиента их концентрации. Градиент концентрации является причиной возникновения диффузионного тока неосновных носителей. При этом выражение для плотности обратного тока электронно-дырочного перехода принимает следующий вид:

, 

17. 
    Германиевые и кремниевые диоды.
    

Кремниевые диоды

Производство кремниевого диода начинается с очищения кремния. На каждой стороне диода имплантируются примеси (бор на стороне анода, мышьяк или фосфор на стороне катода), а соединение, где встречаются примеси, называется «p-n-переходом».

Кремниевые диоды имеют прямое смещение напряжения 0.7 В. Как только разность напряжений между анодом и катодом достигает 0.7 В, диод начнет проводить электрический ток через его p-n-переход. Когда разность напряжений падает менее 0.7 В, p-n-соединение прекратит проводить электрический ток, и диод перестанет функционировать как электрический путь.

Германиевые диоды

Германиевые диоды изготавливаются аналогично кремниевым диодам. В германиевых диодах также используется p-n-переход и имплантируются те же примеси, которые имплантируются в кремниевые диоды. Однако германиевые диоды имеют напряжение смещения 0.3 вольта.

Какие диоды лучше использовать: кремниевые или германиевые?

Германиевые диоды лучше всего использовать в маломощных электрических цепях. Более низкое напряжение прямого смещения приводит к меньшим потерям мощности и делает схему более эффективной по электрическим характеристикам. Германиевые диоды также подходят для прецизионных цепей, где колебания напряжения должны быть сведены к минимуму. Однако германиевые диоды можно гораздо легче вывести из строя, чем кремниевые диоды.

Кремниевые диоды являются превосходными диодами общего назначения и могут использоваться практически во всех электрических цепях, где требуется диод. Кремниевые диоды более долговечны, чем германиевые диоды, и их намного легче получить.

18. 
    Влияние температуры на работу диода.
    

При увеличении температуры растет количество носителей, способных преодолеть потенциальный барьер прямосмещенного перехода, что приводит к увеличению тока через диод, включенный в прямом направлении. При этом уменьшается прямое падение напряжения на диоде. При увеличении температуры растет так же и обратный ток. Во всех случаях обратный ток связан с генерацией носителей заряда – процессом, характеризующимся энергетическим барьером, преодолеваемым носителями при генерации. С увеличением температуры растет средняя энергия носителей и вероятность преодоления этого барьера растет.

С повышением температуры увеличивается вероятность туннельного перехода (из-за роста энергии носителей заряда), а значит и падает пробивное напряжение при туннельном пробое.

С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей, а, следовательно, и энергия, которую может набрать носитель до рассеяния. Следовательно, с ростом температуры растет напряжение лавинного пробоя.

19. 
    Стабилитрон. Физические процессы.
    

Нормальным режимом работы полупроводникового стабилитрона является режим с обратно включенным p-n- переходом, рабочим напряжением - напряжением пробоя перехода, а рабочим участком характеристики - обратная ветвь вольтамперной характеристики перехода. Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависит от рода материала, его удельного сопротивления и типа перехода.

20. 
    Виды пробоев в p-n переходе.
    

Туннельный пробой, возникает при туннелировании носителей сквозь барьер, когда происходит, например, туннельное просачивание электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области полупроводника. Туннелирование электронов происходит в том месте p-n-перехода, в котором в результате его неоднородности возникает наиболее высокая напряженность поля. Напряжение туннельного пробоя p-n-перехода зависит не только от концентрации легирующей примеси и критической напряженности поля, при которой происходит возрастание туннельного тока через p-n-переход, но и от толщины p-n- перехода. С увеличение толщины p-n-перехода вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается, и более вероятным становится лавинный пробой.

При лавинном пробое p-n-перехода на длине свободного пробега в области объемного заряда носитель заряда приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решетки, то есть в его основе лежит ударная ионизация. С ростом напряженности электрического поля интенсивность ударной ионизации сильно увеличивается и процесс размножения свободных носителей заряда (электронов и дырок) приобретает лавинный характер. В результате ток в p-n- переходе неограниченно возрастает до теплового пробоя.

Тепловой пробой, связанный с недостаточностью теплоотвода, как правило, локализуется в отдельных областях, где наблюдается неоднородность структуры p-n-перехода, а, следовательно, и неоднородность протекающего через него обратного тока. Повышение температуры вызывает дальнейшее увеличение обратного тока, что в свою очередь, вызывает увеличение температуры. Тепловой пробой — необратимый процесс, преобладающий в полупроводниках с относительно узкой запрещенной зоной.

В p-n-переходах может также наблюдаться поверхностный пробой. Напряжение поверхностного пробоя определяется величиной заряда, локализованного на поверхности полупроводника в месте выхода p-n-перехода наружу. По своей природе поверхностный пробой может быть туннельным, лавинным или тепловым.