Физика твердого тела

1. Элементы физики твердого тела

I.
II.
III.
IV.
Энергетические зоны
Металлы, диэлектрики и полупроводники
с точки зрения зонной теории
Собственная и примесная проводимость
полупроводников
P-n переходы

2. Зонная теория твердого тела

Систему (твердое тело) разделяют на тяжелые и
легкие частицы – ядра и электроны, скорости
которых значительно различаются.
Так как ядра в узлах кристаллической решетки
неподвижны, движение электронов рассматривается
в постоянном периодическом поле ядер.
Следовательно рассматривается движение одного
электрона во внешнем периодическом поле всех
ядер и электронов.

3. Образование энергетических зон

Рассмотрим объединение N атомов в кристалле
Все изолированные атомы имеют одинаковый набор
дискретных энергетических уровней
При сближении атомов энергетические уровни
расщепляются: вместо отдельных уровней образуется
энергетическая зона

4. Образование энергетических зон

Время жизни электрона в твердом теле уменьшается
до 10-15 с (для изолированного 10-8 с)
Энергетические уровни валентных электронов
расширяются
Внешние электроны образуют разрешенную
энергетическую зону
Каждая зона вмещает в себя столько уровней,
сколько атомов в твердом теле
Расстояние между соседними уровнями столь
ничтожно, что зоны можно считать непрерывными

5. Образование энергетических зон

Разрешенные энергетические зоны разделены
зонами запрещенных значений энергии, которые
называются запрещенными энергетическими
зонами
Ширина зон (разрешенных и запрещенных) не
зависит от размеров кристаллов
Разрешенные зоны тем шире, чем слабее связь
валентных электронов с ядрами
Зонная теория позволила объяснить существование
металлов, полупроводников и диэлектриков

6. Энергетические зоны

Валентная зона заполнена
электронами и образована из
внутренних электронов
свободных атомов
Зона проводимости (свободная
зона) либо свободна либо
частично заполнена электронами
и образована энергетическими
уровнями внешних электронов
изолированных атомов
Между ними запрещенная зона

7. Проводники (металлы)

Ширина запрещенной зоны металлов
значительно меньше 1 эВ
Верхняя часть валентной зоны
заполнена частично, т.е. в ней имеются
вакантные энергетические уровни
Электроны за счет тепла или
электрического поля могут перейти на
более высокий уровень валентной зоны
Если в твердом теле имеется свободная
или частично заполненная электронами
зона, то оно является проводником

8. Проводники (щелочно-земельная группа элементов)

Валентная зона перекрывается
со свободной зоной, образуя
гибридную зону
Гибридная зона частично
заполняется валентными
электронами
В этом случае проводимость
обусловлена перекрытием зон

9. Диэлектрики и полупроводники

Если ширина запрещенной
зоны твердого тела несколько
электрон-вольт, то невозможно
перебросить электроны из
валентной зоны в зону
проводимости и твердое тело
будет считаться диэлектриком
Если ширина запрещенной
зоны порядка 1эВ, то твердое
тело будет считаться
полупроводником.

10. Собственная проводимость полупроводников

Рассмотрим собственную
проводимость полупроводника
на основе кремния (Si)
Кремний имеет на внешнем
электронном слое 4 электрона,
образующие ковалентные связи
При низких (обычных)
температурах отсутствуют
свободные заряженные частицы
и он не проводит электрический
ток

11. Собственная проводимость полупроводников

При повышении температуры отдельные связи разрываются,
электроны становятся свободными
Во внешнем электрическом поле они перемещаются
упорядоченно, образуя электрический ток
При разрыве связи образуется вакантное место, которое
называют дыркой
В дырке имеется положительный заряд

12. Собственная проводимость полупроводников

При низких температурах полупроводники
ведут себя как диэлектрики
При повышении температуры электроны с
верхних уровней валентной зоны
перебрасываются на нижние слои зоны
проводимости
Проводимость собственных
полупроводников, обусловленная
электронами, называется электронной
проводимостью или проводимостью
n-типа.

13. Собственная проводимость полупроводников

В результате тепловых забросов из
валентной зоны в зону проводимости в
валентной зоне возникают вакантные
состояния, получившие название дырок.
Проводимость собственных
полупроводников, обусловленная дырками,
называется дырочнойой проводимостью
или проводимостью
р-типа.
Т.о. в собственных проводниках два типа
проводимости: электронный и дырочный.

14. Примесная проводимость полупроводников n-типа

При замещении 4 валентного атома
германия (Ge) 5 валентным атомом
мышьяка (As) один электрон не
может образовать ковалентной
связи и становится свободным
Избыточный положительный заряд,
возникший вблизи атома примеси,
связан с атомом примеси и поэтому
перемещаться по кристаллической
решетке не может.

15. Примесная проводимость полупроводников n-типа

Введение примеси искажает поле
решетки
Это приводит к возникновению в
запрещенной зоне чуть ниже дна
зоны проводимости примесного
донорного энергетического уровня
При повышении температуры
электроны перебрасываются с
донорного уровня в зону
проводимости

16. Примесная проводимость полупроводников p-типа

При замещении 4 валентного атома
германия (Ge) 3 валентным атомом
галлия (Ga) у галлия не хватает
одного электрона для образования
ковалентных связей с соседними
атомами
Одна из связей остается
неукомплектованной и один
электрон может быть захвачен от
соседнего атома
Образуется дырка, которые могут
перемещаться по кристаллической
решетке

17. Примесная проводимость полупроводников p-типа

Введение 3 валентной примеси приводит
в 4 валентный кристалл приводит к
возникновению в запрещенной зоне чуть
выше валентной зоны примесного
энергетического уровня
При повышении температуры электроны
из валентной зоны переходят на данный
уровень, связываются с атомами
основного кристалла и в проводимости не
участвуют
Носителями тока являются дырки.

18. Контакт электронного и дырочного полупроводников

Граница соприкосновения двух
полупроводников, один из которых имеет
электронную, а другой - дырочную
проводимость, называется электроннодырочным переходом или p-n переходом
Односторонняя проводимость контактов
двух полупроводников используется для
выпрямления и преобразования
переменных токов

19. P-n переход

На кристалл германия n-типа в вакууме накладывается
индиевая «таблетка»
Эта система в вакууме нагревается до 500о С
Атомы индия диффундируют на некоторую глубину в
германий

20. P-n переход

Расплав медленно охлаждают
Германий, содержащий индий, обладает дырочной
проводимостью
На границе германия p-типа и германия n-типа образуется
запирающий слой

21. P-n переход (прямое напряжение)

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с
помощью внешнего электрического поля
При данном подключении источника тока электроны
двигаются к положительному полюсу, дырки – к
отрицательному
Запирающий слой расширяется

22. P-n переход (обратное напряжение)

При данном подключении источника тока электроны и дырки
двигаются навстречу друг другу и рекомбинируют
Толщина запирающего слоя и его сопротивление
уменьшаются
Возникает ток, который называется прямым

23. Вольт-амперная характеристика диода

При прямом напряжении
величина тока с увеличением
внешнего поля увеличивается
При обратном напряжении
через p-n переход протекает
небольшой ток
Резкое возрастание обратного
тока при некотором
напряжении означает пробой
контактного слоя и его
разрушение