Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Transkrypt

1 Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

2 Zadania elektroniki: Urządzenia elektroniczne służą do przetwarzania i przesyłania informacji w postaci analogowej i cyfrowej oraz do przekształcania energii elektrycznej (energoelektronika).

3 Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki, półprzewodniki i izolatory Wzajemne ułożenie pasm energetycznych i ich zapełnienie przez elektrony warunkuje właściwości elektryczne ciał stałych i jest podstawą ich podziału na metale, półprzewodniki i dielektryki. W przypadku metali istnieje pasmo energetyczne zapełnione tylko częściowo. Poniżej wszystkie pasma są zajęte, powyżej - wszystkie puste. Przykładem takiego ciała jest sód, w który pasmo 3s jest zapełnione tylko do połowy. Podobna sytuacja występuje w innych metalach alkalicznych. Pasmo zapełnione tylko częściowo może także powstać w wyniku nałożenia się pasm całkowicie zapełnionych z pasmami pustymi lub częściowo obsadzonymi.

4

5 Drugą grupę ciał stanowią półprzewodniki. Półprzewodnikami nazywamy takie ciała stałe w których w temperaturze 0 K pasmo walencyjne (i pasma niższe) są całkowicie zapełnione, a pasmo przewodnictwa całkowicie puste; przy czym przerwa energetyczna między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa jest niewielka około 1 ev [rys c]. Umownie półprzewodnikami przyjęto nazywać wszystkie ciała, których przerwa energetyczna Eg jest mniejsza od 3 ev. Wskutek wzbudzeń cieplnych, niektóre elektrony mogą uzyskać dostateczną energię do pokonania przerwy energetycznej i przejść do pasma przewodnictwa. Elektrony te znajdujące się w paśmie częściowo zapełnionym są elektronami swobodnymi. Im wyższa temperatura, tym większa jest koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa. W większości półprzewodników już w temperaturze pokojowej koncentracja elektronów jest

6 dostatecznie duża i kryształ wykazuje znaczną przewodność elektryczną. Zwróćmy uwagę na to, że pole elektryczne nie jest w stanie nadać elektronom energii wystarczającej do pokonania przerwy energetycznej. Jeśli bowiem średnia droga swobodna elektronu wynosi około 10 8 m, to w polu elektrycznym o natężeniu 104 V/m uzyskuje on energię 10 4 ev. Jest to zdecydowanie zbyt mała energia aby elektron mógł przejść z jednego pasma do drugiego. Półprzewodnikami nazywamy materiały, które w temperaturze zera bezwzględnego mają całkowicie obsadzone pasmo walencyjne i całkowicie puste pasmo przewodnictwa, a szerokość pasma zabronionego nie przekracza 3 ev.

7 Pod wpływem wzbudzeń termicznych część elektronów uzyskuje wystarczającą energię do pokonania przerwy energetycznej i przechodzi do pasma przewodnictwa, gdzie stają się swobodnymi nośnikami prądu. Jednocześnie w paśmie walencyjnym powstają dziury. W półprzewodnikach występują dwa rodzaje nośników: elektrony i dziury, stąd przy przepływie prądu mówimy o przewodnictwie elektronowym i dziurowym. Konduktywność półprzewodników zmienia się w przedziale od 10 8 do 106 (Ωcm) 1.

8 Półprzewodniki samoistne i niesamoistne Półprzewodniki wykazują własności pośrednie między przewodnikami i dielektrykami. Przewodzą one prąd pod wpływem takich czynników, jak temperatura, promieniowanie elektromagnetyczne czy domieszki innych materiałów. Możemy podzielić je na: Półprzewodniki samoistne do których zaliczamy german i krzem Półprzewodniki niesamoistne, w których liczbę swobodnych nośników ładunku elektrycznego zwiększono poprzez zastosowanie domieszek.

9 W zależności od rodzaju domieszki, półprzewodniki niesamoistne dzielimy na: półprzewodniki typu N (negative) - domieszkowane atomami pierwiastka pięciowartościowego (np. arsenem, antymonem, fosforem) - donorowe półprzewodniki typu P (positive) domieszkowane atomami pierwiastka trójwartościowego (np. glinem lub borem) - akceptorowe

10

11

12 Literatura: J.Nowicki Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN WSiP 1999