Geum.ru

Лекция 1 вводная (основы физики полупроводников строение вещества)

Вид материалаЛекция
Подобный материал:
ЛЕКЦИЯ 1

ВВОДНАЯ

(ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА)

В ХОДЕ ИЗУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ УЗНИЛИ, что атом любого вещества состоит из положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов — носителей отрицательного заряда. Основная масса атома сосредоточена в ядре. Положительно заряженные ядра различных элементов отличаются друг от друга как массой, так и величиной своего заряда, электроны же их имеют одинаковый заряд и массу. Общий отрицательный заряд электронов в атоме равен положительному заряду ядра, поэтому число электронов в атоме того или иного элемента различно и соответствует порядковому номеру элемента в таблице Д. И. Менделеева.

Орбиты вращающихся электронов находятся на разных расстояниях от ядра, причем на каждой орбите находится вполне определенное число электронов. На самой первой, наиболее близкой к ядру орбите может находиться не более двух электронов, на второй — 8, на третьей —18, на четвертой — 32. Орбиты различно расположены в пространстве и образуют вокруг ядра электронные слои. Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т. е. находятся на одинаковом энергетическом уровне. Электроны, вращающиеся на последней, внешней орбите, называются валентными электрон а м и. Валентные электроны наиболее слабо связаны с ядром, взаимодействие их обеспечивает соединение атомов в молекулы или в кристаллическую решетку.

В твердых телах тепловое движение молекул и атомов проявляется в виде колебаний вокруг некоторых средних положений. При этом наблюдаются многочисленные столкновения частиц между собой. В момент сильного удара из атома может быть выбит один или несколько электронов. Атом становится ионом, а освободившийся электрон начинает свободно блуждать по всему объему твердого тела. Он может примкнуть либо к положительному иону, либо даже к нейтральному атому, образуя при этом отрицательно заряженный ион.

Электрон, входящий в состав атома, обладает строго определенной энергией. Все электроны каждого конкретного атома распределены по строго определенным энергетическим уровням. При соответствующих условиях электрон можно перевести с одного энергетического уровня на другой, при этом будет либо выделяться, либо затрачиваться энергия. Так как электроны в атоме, как уже сказано, занимают лишь вполне определенные энергетические уровни и не могут находиться в промежуточных состояниях, то потеря энергии электроном или ее приобретение происходит не постепенно, а скачками. При переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий излучается один квант света. И наоборот, переход электронов с более низких на более высокие уровни сопровождается поглощением световых квантов.

Границы между проводниками, полупроводниками и изоляторами условны. Проводники обладают высокой электропроводностью. В наружной электронной оболочке атома металла имеется хотя бы один электрон, который, будучи слабо связанным с ядром, покидает пределы атома и свободно блуждает по всей массе металла. Появление свободных электронов в металле не связано с какими-либо внешними воздействиями на него. В металле происходит непрерывный процесс воссоединения электронов с ионами, вследствие чего образуются нейтральные атомы и новые свободные электроны. Число свободных электронов в единице объема проводника вполне определенно и равно произведению числа атомов в единице объема на валентность металла. Концентрация свободных электронов в единице объема не зависит ни от температуры, ни от влажности и давления окружающей среды.

Таким образом, любой проводник состоит из ионов, каждый из которых расположен в узлах кристаллической решетки и совершает некоторые колебания вокруг положения равновесия, и из равномерно распределенных свободных электронов — электронов

проводимости. Если к проводнику приложить внешнее электрическое поле, то электроны проводимости приобретают дополнительную скорость, направленную против действия этого поля; движению электронов будут препятствовать только колеблющиеся ионы. В металле появится ток. G повышением температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний ионов, а значит возрастет их сопротивление движущимся электронам и ток уменьшится. С понижением температуры, наоборот, тепловые колебания ионов ослабевают, сопротивление движению электронов падает и ток возрастает. Этим и объясняется явление сверхпроводимости проводников при понижении температуры (удельное сопротивление уменьшается, стремясь к нулю).

Атом полупроводника тоже состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов, но все они очень прочно связаны с ядром. Поэтому при достаточно низких температурах в полупроводнике вообще отсутствуют свободные электроны, а следовательно, и электропроводность. Однако если учесть тепловое движение атомов и молекул, то в момент их столкновения в полупроводнике и даже в изоляторе могут появиться свободные электроны. Этим объясняется частичная электропроводность полупроводников и изоляторов. G повышением температуры в них возрастает концентрация электронов проводимости и поэтому сопротивление уменьшается. Для увеличения электропроводности полупроводника следует сообщить электронам энергию, необходимую для отрыва их от атома или молекул.

Помимо теплового движения в результате нагрева источником этой энергии могут быть электромагнитные волны, летящие элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны и др.), электрическое поле и свет.

При образовании кристалла из большого количества связанных атомов энергетические уровни отдельных атомов сдвигаются. Поэтому в кристалле энергетический уровень каждого электрона не совпадает с тем уровнем энергии, который аналогичный электрон занимает в свободном атоме. Так как количество уровней энергии в кристалле велико, а различие между ними мало, то эти уровни образуют так называемые разрешенные зоны, а между ними располагаются запрещенные зоны, на которых атомы данного элемента находиться не могут. Энергетические уровни валентных электронов образуют валентную зону. Следующей, более высокой зоной в энергетическом отношении является свободная зона или зона проводимости. На рис. 68 представлены три возможных случая расположения энергетических зон валентных электронов. В проводнике' (рис. 68, а) зона проводимости примыкает непосредственно к валентной зоне. Если к проводнику приложить внешнее электрическое поле, то под его влиянием электроны начнут двигаться направленно, меняя при



Рис. 68. Энергетические зоны валентных электронов: а — в металле; б — в полупроводнике; в — в изоляторе.

/—зона проводимости; 2—запрещенная зона; 3 — валентная зона.

этом свою энергию и переходя на более высокие уровни. В полупроводнике (рис. 68, б) между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона. Для появления электропроводности необходимо, чтобы некоторое число электронов перешло из валентной зоны в зону проводимости, для чего электронам валентной зоны надо сообщить энергию ΔЕ от десятых долей до полутора элек-тронвольт (один электронвольт, эв, соответствует энергии, необходимой для преодоления одним электроном разности потенциалов в один вольт). В диэлектриках (рис. 68, в) величина ΔЕ достигает нескольких электронвольт.