Физические основы полупроводников

Физические основы полупроводников

+Начло 4.9.00

Электроника - об. Науки изучающая и применяющая   взаимодействие электронов и других за ряженых частиц с электромагнитными полями в вакууме , газах , твёрдых телах с целью приёма , передачи , и обработки информации . Про образом современных электронных приборов стала.

1872--- лампа накаливания  Лодыгин

1900--- ПП – п/п диод-детектор Попов

1904--- электровакуумный диод Фельдманта

1907--- электровакуумный триод Ли-Де-Форест

1914--- первые электролампы в России

1930--- Систематические исследования свойств п/п Иоффе. Появления много сеточных и комбинированных ламп освоение отечественной промышленностью лучевых и фотоэллектических приборов  положивших начало развитию телевидения .

1940--- доказано существования  p-n  перехода Лошькарёв.

1948--- создание п/п транзистора Бардин и Брайтен

1957--- Туннельный диод

1958--- Интегральныё схемы

1965--- ИМ среднего уровня integer – (Целое число)

1870--- БИС

1980--- СБИС и функциональная электроника

1990--- развитие концепции к наноэлектронике.


5.9.00  Строение атома, дискретность энергетических уровней e в атоме.


Атом – мельчайшая химически не делимая частица, состоящая из ядра и врошающихся вокруг него на разных энергетических уровнях e.

С точки зрения квантовой механики частица и волна могут взаимно преврашяться

обладают карпоскулярноволновым дуализмом. Каждый квант света может передавать свою E отдельному e       E=h*ν    соотношение Планка     h=6.62*10^-34(Дж*с)        

h=4.5*10^-15(эВ*с)   постоянная Планка, волновые фотонов выражены равенством связи частоты излучены с длиной волны     ν=С/λ     С=3*10^8(м/с)      E фотона также можно определить из соотношения Эйнштейна     E=m*C^2      или  ур.  Деброиля.  λ=h/mc


Квантовое число e.

ŋ-главное квантовое число определяет E e  а также электрический уровень на котором находиться  e , номер уровня (слоя) соответствует номеру периода в таблице Минделева.

1≤ ŋ≤7

Обозначение  E   уровня

K

L

M

N

O

P

Q

значение

1

2

3

4

5

6

7

L – побочное характеризует  Е е  на под уровне а также форму электронного облака       0≤L≤ (ŋ-1)

Обозначения  под  уровня

S

P

D

F

Значения-L

0

1

2

3

При  L=0     S-орбита ль При  L=1     P-орбита ль




mL  -Магнитное квантовое число характеризует   ориентацию электронной

Орбитали в пространстве и число энергетических состояний на под уровне   -L:0:+L 

mL всего может принимать (2L+1) значений

Пример1

L=0      mL=0                         S

L=1      mL=-1:0:1                  P

L=2      mL=-2:-1:0:1:2          D

L=3      mL=-3:-2:-1:0:1:2:3   F

Запрет Паульса в атоме не может быть 2  е    у коих  все 4 квантовых числа были бы одинаковы.

mS=+-½  это спиновая  квантовое число оно характеризует вращение  е  вокруг своей оси   


06.09.00

Эн.

 уровень

Эн.

под.уро.

Магнитно

Квантово

 число

Эн.

под

уро

Чис. Эн.

Орбит на

уровне

Чис..е

на под

уровне

Чис.

 е на

уров

Формулы        

Об

ур

Зн

   n


Об

пу

Зна

  L

K

1

S

0

0

1

1

2

2

1S^2

L

2

S

P

0

1

0

–1:0:1

1

3

4

2

6

8

2S^2,2P^6


M

3

S

P

D

0

1

2

0

–1:0:1

-2:–1:0:1:2

1

3

5

9

2

6

10

18

3S^2,3P^6,

3D^10

N

4

S

P

D

F

0

1

2

3

0

–1:0:1

-2:–1:0:1:2

-3:-2:-1:0:1:2:3

1

3

5

7

16

2

6

10

14

32

4S^2,4P^6

4D^10,4F^14


 



7.9.00  Расположение  е   в атоме

1.Принцип наименьшей  Е

2.Правило Гунда

3.Запрет    Паули


1.Принцип наименьшей  Е

е  в атоме распологаютья так чтобы иметь наименьшую  Е

1-е правило Клечьковского

При увеличении заряда ядра атома происходит последовательное заполнение орбита лей, а именно от орбита лей с наименьшим значениям суммы(n+L) к орбиталям с большим значениям суммы(n+L)

 

 

Пример1

         3d                     >                     4s

∑ (n+L)=3+2=5              ∑ (n+L)=4+0=4

Пример2

        3d                                              4p

∑ (n+L)= 3+2=5              ∑ (n+L)=4+1=5

ПО 1-е правило Клечьковского решить нельзя

2-е правило Клечьковского

При увеличении заряда ядра атома происходит последовательное заполнение орбита лей

В сторону увеличения главного квантового числа  n

1s2  2s2  2p6  3s2  3p6  4s1  3d  4p

Таким образом в Пример2  с начало заполняется  3d а за тем  4p


2.Правило Гунда  на под уровне  е  рассполагаються  та  чтобы  был  максимальный  спин


3.Запрет Паульса в атоме не может быть 2  е    у коих  все 4 квантовых числа были бы одинаковы.

08.09.00  Классификация твёрдых тел в соответствии с зонной теорией


    При получении дополнительной Е  е   внешней оболочки атома теряют жесткую связь со своим атомом и начинают переешяться в обёме, станов6яться свободным носителями заряда.

    Свободная зона на уровнях коей могут находиться  е  при возбуждении называется зоной проводимости.

    Ближайшей  разрешенной зоной в ЗП называется валентной зоной при Т=0К она полностью заполнена.


Твёрдые тела

          

В Ме  е  принадлежат не отдельным атомам, а всему кристаллу это приводит к тому, что даже не большая Е возбуждает валентные  е  внешнего Е уровня становятся свободны.

     В п/п ковалентные связи образуются когда соединяющиеся атомы имеют обший  е  врашяются вокруг общих ядер при Т= 0К атомы кристаллической решетки п/п на в состоянии покоя при повышении Т возникают тепловые колебания  решетки что приводит к разрыву связей и появлению свободных  е  . Если сообщить  е  Е > /\Е  то он сможет перелететь из ВЗ в ЗП и принять участие в эл. токе.

Процессы протекающие  в д/э.

      Схожи с прцесами в п/п различие лишь в ширине ЗЗ в д/э они на столько велики что при значительной Е воздействие, количество  е  перемешённых в ЗП крайне мало.

      Качественное отличие п/п и д/э от Ме заключается в том ,что и п/п, и д/эпри Т=0К

ЗП пустует => проводимость отсутствует  у Ме в результате взаимного перекрешьивания

ВЗ и ЗП даже при Т=0К в ЗП находиться значительное количество  е  и проводимость имеет  место быть.

11.09.00  ВЕРОЯТНОСТЬ

При сообщении кристаллической рищётки п/п дополнительной Е  е  покидают свой атом становятся свободными, такой переход в ЗП называют, эл. нейтральностью атома в результате чего появляиться  не скомпенсированный  +  заряд ядра равный по модулю заряду  е , такой + называется дыркой.

    Появление  е  в ЗП означает, что п/п становится эл. проводящим, это эл. проводимость появляется в следствии нарушении валентных связей в кресале п/п и называется собственной эл. проводимостью (эл. проводностью)

    На эл. проводностью проводника существенное влияние оказывают внешние Е воздействия (свет,Т)

Статистика носителей заряда в твёрдом теле уровень Фельдмана в Ме и п/п.

   Эл. фаз. Свойства в значительной степени зависят от концентрации в нём носителей заряда при данной Т.

    В каждом конкретном случае существует наиболее вероятное распределения частиц по Е уровням которое  описывается с помощью функции указывающий на вероятность заполнения частичами данного Е состояния.

    Вероятность отношения количества исходов благоприятствующих событию к общему числу исходов 0≤p≤1

     При рассмотрении данного вопроса надо учитывать что общее число е в изолированном объёме п/п есть строго постоянно и = совокупности валентных  е  всех атомов эти  е  рассполагаються по Е состояниям в зависимости от Т.

     Таким образом вероятность заполнения частицами данного Е состояния представляет собой среднее число частиц находящихся в данном Е состояние.

Распределение по Е уровням описывается ф-ия  распределения Фермана Дарка

Fe(E,T)=1/(exp((E-Ef)/kT)+1) (const Больцмана k = 0.86*10^-4[эВ/град] ,,, Е-Ее на уровнях,,,

Еf-энергия Ферма )

Вероятность заполнения Е состояния  е  выражается в долях единицы так: если на уровне находиться 2  е  то вероятность заполнения = 1, а если уровень свободен то 0. Ef=1/2 

12.09.00  Уровень Ферма в Ме

Согласно зонной теории последней разрешенной зоной в Ме заполниться уровень

Не полностью при Т=0k  е  должны.находиться на уровнях соответствующих минимальной Е.

fe=1 последними заполниться Ef это максимальная Е ,кою могут иметь  е  в Ме при Т=0k

Распределения Ферма Дарка для  е  в Ме

Все уровни расположенные выше уровня Ферма при Т=0k имеют функцию заполнения =0

    При увеличении Т часть  е  переходит наиболее высокий Е уровень : таким образом, часть уровней находящихся выше уровня Ферма окажется занятой.

    Чем выше Т тем шире об. уровней сосредоточатся  функция  вероятность = ½

     При Т≠0k часть  е  может переходить из ВЗ в ЗП , в ЗП появляются уровни с вероятностью отличной от единицы переход  е  может осуществляться только на уровне расположенном близко к зоне проводимости с уровней расположенных близко к ВЗ.

14.09.00 Эл. проводимость тт

Количественная мера проводимости служит величина удельного сопротивления.

Ме

Д/э

П/п

10^-6…10^-4 [Ом*см]

10^10 [Ом*см]

10^-3…10^10 [Ом*см]

    Эл. ток  в тт это направленный поток носителей заряда которое накладывается на их хаотическое движение.

    Расстояние пройденное   е  , ионом ,дыркой без столкновения с узлами кристаллической решётки есть длинна свободного пробега.

    На длине свободного пробега   е  движиться ровно ускорено при чём скорости  е  могут  быть разными численное значения , но суммарный вектор движения е без эл. тока=0

    В Ме скорости  е  практически не зависят от Т, а в п/п с увеличением Т возрастают.

a=(Fe)/m=(eE)/m   (е-1,6*10^-19 Кл … Е напряжённость … a ускорение)

Vср.=(1/2)*(eE/m)*τ  =μE [Ť-тау время жизни носителей заряда]

μ=(е* τ)/(2*m)

     Эл. проводимость(Ğ)

Ğ=е*n*μ [м^2/В*с]

18.09.00 Эл. проводимость п/п

Собственные п/п - в которых отсутствуют примеси или их влияния на свойства п/п пренебрежительно мало.

      Переход  е  из ВЗ в ЗП сопроваждается появлением электронно-дырочной пары называется процессом генерации сей процесс обратим, в рекомбинацию- нейтрализация электронно-дырочной пары.

      В состоянии тэрмодинамического равновесия скорости генерации и рекомбинации численно ровны.

       Носители заряда возникшие в результате Т колебаний называются равновесные носители заряда.

Ğinp --- --- --- Эл. проводность собственного п/п.

n=p=ni  μ=(Ť *e)/(2m)    μn>μp  Ğ=enμ Ğ1=en1(μn+μp)

n=Nc*exp((ΔE-Ef)/(kT))  Nc-плотность Т состояния в ЗП

Nc=2((2πmnkT)/n^2)^(3/2)      mn- эффектная масса  е


Концентрация дырок в ВЗ собственного п/п p=Nv expE-Ef/KT)

Nv-плотность состояний в ВЗ

mp-эффективная масса дырки

Nv=Nc

19.09.00

После ухода  е  оставшийся в атома положительный заряд но из-за сильных валентных связей не перемищяется , кристалл в целом остаётся эл. нейтрален.

        Примеси способные отдавать в ЗП   е   называются донарными. 

            При введение таких примесей в п/п концентрация  е  возрастает,

а концентрация дырок остаётся неизменной.

            п/п у которого основными носителями заряда есть  е  называется п/п n-типа.

            В легированных п/п есть примесная проводимость то есть перенос  е  примеси. Донарные примеси образуют локальный  Е  уровень расположенный ниже дна ЗП выше дна ЗЗ, так как донарным  е  требуется  меньше Е для перехода в ЗП.

            Е активной примеси- минимальная  Е требуемая для элю проводимости.

            Е активации доноров- Е требуемая для перехода  е  с Ед  в ЗП.

При Т+k это делают все е .

Ge  Еакт = 0.01 эВ

Таким образом при Т=300k конденсацией собственных носителей заряда можно пренебречь все  е  Eд  заполняют ЗП.  nn≈Ng

Ğ=e Nn μn --- Эл. проводимость п/п n-типа при T=300k


            п/п в которых основными носителями заряда   являются дырки есть

п/п p-типа

В качестве лигируещей примеси используется элементы 3 гр. (In, Ga, Al, B)

            Акцепторы – примеси способные принимать на свои уровни  е .

При привлечение в п/п акцепторов концентрация дырок резко возрастает 

Ğ=e Nа μp Эл. проводимость п/п p-типа при T=300k

25.09.00 Частично компенсированные и компенсированные п/п, выражденные п/п.

При изготовление ПП и ИМ часто в п/п вводят и акцепторные и донорные примеси: таким образом в ЗЗ образуются и донорный и акцепторный уровни.

В реальных структурах  Nа≠Nд

            При Nа>Nд полезными то есть способными оторвать  е  в ЗП есть только (Nд-Nа) донорных атомов, остальные донорные атомы отдают свои лишние  е   на уровни акцепторов образующих равное количество [-] акцепторов и [+] донорных йонов.


            При Nа<Nд полезными то есть способными принять  е  из ВЗ есть только (Nа-Nд) донорных атомов, остальные донорные атомы отдают свои лишние  е   на уровни акцепторов образующих равное количество [-] акцепторов и [+] донорных йонов.

            Компенсировными называют п/п с равными концентрациями акцепторной и донорной примеси.

Выражденые

Обычно в примесных п/п концентрация примеси не велика а взаимодействием примесных атомов можно пренебречь локальны уровни расположены близко к друг другу их можно считать единым примесным уровнем с единой Е активации, при увеличении примеси расстояние меж атомами уменьшается и происходит перекрывание электронных оболочек

Страницы: 1, 2, 3



Реклама
В соцсетях
бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты