Тест. Электронная проводимость металлов. Полупроводники. Транзисторы

Список вопросов теста

Вопрос 1

Сопоставьте материалы с их проводимостью

Варианты ответов

• Электронно-дырочная проводимость
• Примесная проводимость
• Электронная проводимость
• Собственная проводимость

Вопрос 2

Выберете правильные описания каждого из графических изображений. На рисунке каждая кривая обозначена цифрой.

Варианты ответов

• Зависимость сопротивления полупроводника от температуры
• Зависимость сопротивления металлического проводника от температуры
• Зависимость сопротивления сверхпроводника от температуры

Вопрос 3

Для получения донорной примеси в кремниевом полупроводнике подойдёт…

Варианты ответов

• Мышьяк
• Индий
• Германий
• Йод

Вопрос 4

В полупроводниковом диоде присутствуют полупроводник p-типа и полупроводник n-типа. При прямом p-n переходе ток обусловлен

Варианты ответов

• Движением дырок
• Движением электронов
• Движением электронов в полупроводнике n-типа и движением дырок полупроводнике p-типа
• Движением дырок в полупроводнике n-типа и движением электронов полупроводнике p-типа

Вопрос 5

Выберете верные утверждения

Варианты ответов

• Полупроводниковый диод проводит ток только в одном направлении
• Полупроводниковый диод выпрямляет ток
• В транзисторах есть 3 p-n перехода
• В базе транзистора основными носителями заряда всегда должны быть электроны

Вопрос 6

Выберете верные утверждения

Варианты ответов

• Транзистор способен генерировать электрические колебания
• Ток в эмиттере примерно равен току в коллекторе
• Ток в базе примерно равен току в коллекторе
• В транзисторе есть прямой p-n переход и обратный p-n переход

Вопрос 7

Пользуясь таблицами, определите удельное сопротивление серебра при 0 ^оС (в мкОм х м).

Вопрос 8

Пользуясь таблицами, определите удельное сопротивление вольфрама при 2000 ^оС (в мкОм х м). Ответ округлите до сотых.

Вопрос 9

В pnp-транзисторе…

Варианты ответов

• Ток обусловлен только движением электронов
• Ток в базе примерно равен нулю
• Полупроводник n-типа значительно тоньше, чем полупроводники p-типа
• Коллектор значительно тоньше эмиттера

Вопрос 10

Полупроводники с акцепторными примесями…

Варианты ответов

• Называются полупроводниками n-типа
• Обладают преимущественно дырочной проводимостью
• Проводят ток только в одном направлении
• Ведут себя как диэлектрики при достаточно низких температурах

Проводимость переходы р типа — Справочник химика 21

    Если к полупроводнику приложить невысокую разность потенциалов, то это вызовет движение электронов в зоне проводимости (дырочная проводимость п-типа) и одновременное перемещение дырок (дырочная проводимость р-типа). Движение дырки происходит по следующему механизму электрон, находящийся рядом с дыркой, занимает ее положение, при этом на его месте снова возникает положительно заряженная дырка. Соседний электрон осуществляет подобный переход и т. д. Таким образом, в валентной зоне дырки будут перемещаться в сторону отрицательного электрода, а в зоне проводимости электроны будут двигаться в сторону положительного электрода (рис. 4.17). Проводимость такого типа называется собственной. [c.185]

    Если погруженный в раствор полупроводник обладает проводимостью р типа, вблизи контактной поверхности кристалла образуется р —р переход с весьма высоким уровнем токов насыщения. Естественно, что вольт-амперная характеристика такого контакта ничем не отличается от приведенных выше характеристик для контакта металл—электролит. Таким образом, в некоторых случаях контакт полупроводника с электролитом может являться выпрямляющим и обладает примерно такой же вольт-амперной характеристикой, как р — п переход. [c.202]

    Поскольку большинство энергетических уровней зоны пусты, проводимость /г-типа можно представить себе как неограниченное движение электронов вдоль решетки от одного участка к другому. Однако в случае проводимости р-тппа электрон может перемещаться только тогда, когда на близлежащем участке в направлении поля имеется незаполненный уровень, а переход электронов на вакансию вдоль поля эквивалентен движению положительных вакансий в направлении, противоположном полю. Это схематически проиллюстрировано рис. 10.15. [c.235]

    Алмаз представляет собой широкозонный (ширина запрещенной зоны для невертикальных переходов 5,5 эВ) полупроводник, у которого атомы примеси могут образовывать энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи валентной (акцепторные примеси), или вблизи зоны проводимости (донорные примеси). В природе не обнаружены кристаллы алмаза с электронным типом проводимости, а ответственной за проводимость р-типа таких кристаллов является примесь бора. [c.454]

    Хотя частичное заполнение электронных зон должно соответствовать металлическому характеру проводимости этих типов углеродных материалов, для них наблюдается положительный температурный коэффициент электропроводности. Это объясняется дырочным характером проводимости (или рассеиванием) на границе между сетками. По мере увеличения концентрации дырок нижняя зона постепенно истощается. При температурах выше 1400° С (рис. 8, в) процесс образования дырок вследствие выделения водорода, по-видимому, в основном завершается. Связывание разорванных сеток, происходящее во время роста кристаллов, приводит к уменьшению количества дырочных дефектов, играющих роль электронных ловушек. я-Зона начинает снова заполняться. Одновременно при росте размеров сеток углерода происходит уменьшение ширины АО запрещенной зоны. При температуре 2000° С (рис, 8, г) эту зону можно считать достаточно узкой для перехода электронов в зону проводимости под действием теплового возбуждения. Тя- [c.31]

    Основная область применения галлия — полупроводниковая техника. Галлий применяется для легирования германия и кремния с целью образования п — р-переходов (как элемент И1 группы галлий сообщает им проводимость дырочного типа). Легированные германий и кремний служат для изготовления самых разнообразных полупроводниковых приборов—термоэлементов для солнечных батарей, кристаллических детекторов, точечных усилителей, выпрямителей и т. д. [8]. [c.144]

    Спектр поглощения захваченного вакантным анионным узлом электрона должен представлять серию линий, заканчивающуюся границей серии, практически непосредственно примыкающей к сплошной полосе поглощения, обязанной переходами типа / —>2 и соответствующей переходу электрона в зону проводимости. На практике обычно спектр поглощения / -центра наблюдается в виде колоколообразной полосы. [c.70]

    Энергетические уровни локальных нарушений кристалла, вызванные присутствием того или иного вида дефектов, располагаются в запрещенной зоне, т. е. связанные с ними полосы поглощения должны появляться с длинноволновой стороны фундаментальной полосы поглощения. Так, например, присутствующие в кристаллической структуре Р-центры, представляющие собой вакантный анионный узел с локализованным на нем электроном, приводят к появлению дополнительной длинноволновой полосы поглощения. Спектр поглощения захваченного вакантным анионным узлом электрона должен состоять из серии линий, которая заканчивается границей серии, практически непосредственно примыкающей к сплошной полосе поглощения. Эта полоса обязана переходам типа 1 — 2 и соответствует переходу электрона в зону проводимости. На практике обычно спектр по- [c.76]

    Если расплав германия содержит два рода примесей с разными коэффициентами сегрегации, дающими разный тип проводимости, то при изменении скорости выращивания можно получить кристалл с избытком той или другой примеси. Этим свойством пользуются при получении большого количества р—п-переходов, выращенных в процессе вытягивания одного монокристалла затем монокристалл может быть разрезан на нужное число элементов. Например, вводя в расплав германия примеси сурьмы и галлия (сурьмы в несколько большем количестве, так как она имеет меньший коэффициент сегрегации), и при большой скорости вытягивания получают области кристалла с проводимостью п-типа, при более медленной — р-типа между этими областями создаются р—п-переходы. Эту процедуру можно повторять много раз, т. е. в одном монокристалле можно получить несколько последовательных п и р-областей, разделенных плоскими и параллельными р—п-переходами. [c.175]

    На теллуриде цинка был получен р-п-переход при ионном внедрении фтора в теллурид циика р-типа (р—15 ом-см) при 400 кэв [18]. Сразу после внедрения фтор не проявлял электрической активности, и только после прогрева при температуре 500— 550° С в течение 2—5 ч в порошке теллурида цинка с избытком теллура в поверхностном слое кристалла, подвергнутом бомбардировке, появлялась проводимость п-типа. Образование слоя с проводимостью п-типа было подтверждено измерением термо- и фото- [c.52]

    В значительной степени соответствуют друг другу наблюдается проводимость ге-типа при низких и р-типа при высоких значениях с резким переходом при промежуточных значениях. Достаточно далеко от р-м-перехода концентрация носителей пропорциональна [c.366]

    Мы хотим исправить интерпретацию нашей точки зрения, изложенную Бурдоном [24]. Мы не предполагали процесс фотосенсибилизации полупроводников как двухквантовый. Мы рассматривали в своей статье два независимых процесса электрон переходит или из валентной зоны на акцепторный уровень, или из ловушки в зону проводимости. В первом случае будет проводимость р-типа, во втором — г-тина. [c.263]

    Чтобы интерпретировать результаты, следует помнить, что, если в окислительной атмосфере окись хрома является р-полупроводником, то в восстановительной атмосфере с увеличением парциального давления водорода р-тип проводимости переходит в п-тип [12—14]. Изменение проводимости во времени может быть также объяснено р — м-переходом. Найденный на опыте минимум электропроводности может найти объяснение во временной собственной проводимости вследствие р — тг-перехода. [c.435]

    Для создания р—га-перехода применяют два принципиально различающихся способа диффузию и эпитаксиальное наращивание . Суть первого состоит во внедрении, например, акцептора (цинка) из газовой фазы в поверхность моно-кристаллической подложки с проводимостью /г-типа. В настоящее время диффузию не используют как самостоятельный метод легирования, а применяют для изготовления светодиодов только в сочетании с эпитаксиальными методами. Последние заключаются в наращивании слоя вещества с проводимостью, например р-типа, на подложку (или предварительно выращенный на ней слой) с проводимостью га-типа. Для этого используют кристаллизацию вещества как из газовой, так и из жидкой фазы. Газофазная эпитаксия служит в настоящее время для получения твердых растворов типа Оэх.лАзлР и 1п1 дОад Р, а жидкофазная— для выращивания GaP и Alj. xGa>jAs. [c.147]

    Как уже отмечалось, подвижность ионов оксония и гидроксила аномально высока по сравнению с примесными ионами. Перенос этих ионов обусловлен транспортом протона по цепочкам молекул воды, связанных водородными связями. Для объяснения этого процесса предложены коллективный механизм Грот-куса и основанный на рассмотрении перехода частицы через барьер механизм Эйринга. В работе [356] рассмотрен механизм переноса протона в водных системах, связанный с коллективным возбуждением солитонного типа. Этот механизм в значительной степени зависит от стабильности проводящей протон цепочки молекул воды. Выполненный анализ [349, 350] показывает, что в приповерхностной области более прочные водородные связи образуются вдоль направлений, параллельных границе. Поэтому можно ожидать, что вклад транспорта протонов в поверхностную проводимость водных систем будет существенным. [c.132]

    Разупорядочение ионных кристаллов происходит преимущественно в той подрешетке, ионы которой обладают меньшим радиусом, более низкой валентностью и меньшей деформируемостью. Разные типы разупорядоченности иногда могут переходить один в другой при повышении или понижении температуры. Так, РЫа ввиду большой поляризуемости ионов I при низких температурах обладает катионной проводимостью, в то время как анионная проводимость становится значительной только в области более высоких температур. [c.38]

    Если принять для перехода ионов металла из точки Р (рис, 26) в междоузлия решетки окисла полупроводника п-типа, что W н — энергия, соответствующая этому переходу, Ф — энергия, необходимая для перехода электрона из металла в зону проводимости окисной пленки (рис. 27), а Е — энергия сиязи электрон—ион в междоузлии, то величина — Е будет энергией раство- [c.50]

    Индий — мягкий (мягче свинца) серебристо-белый металл, пластичный и плавящийся при сравнительно невысокой (156,4°С) температуре. Подобно галлию, индий образует с большим числом металлов легкоплавкие сплавы. Сплав индия с галлием находится при комнатной температуре (16°С) в жидком состоянии. Соединения его с мышьяком, фосфором, сурьмой являются полупроводниками. По химическим свойствам индий также сходен с галлием. Индий в форме антимонида 1п8Ь применяют для изготовления детекторов инфракрасного (теплового) излучения. Это соединение сильно изменяет свою электрическую проводимость под влиянием длинноволнового излучения. Введение микродоз индия в германий приводит к появлению у германия дырочной проводимости (проводимость р-типа). Поэтому контакт германий чистый — германий с примесью индия представляет собой так называемый п—р-пере-ход на этой же основе легко получить и р—м—р-переходы, применяемые в транзисторах. [c.160]

    Примесная проводимость обус.ювлена наличием в полупроводниковом материале примесей. Находясь в кристаллической решетке кремния, атом мышьяка (или других элементов пятой группы) может отщепить свой лишний пятый электрон и. таким образом, действовать как донор электронов. Если в исходном состоянии этот электрон находился в запрещенной зоне полупроводника на уровне, не слип]ком удаленном от нижнего края зоны проводимости (рис. 1.2,6, уровень № 1), то он достаточно легко переходит в зону проводимости в результате в этой зоне появляются свободные электроны, т. с. проводимость л-типа. Введение в германий одного атома мышьяка на 10 атомов германия увеличивает число свободных электронов до 10 м =. Если примесью является бор (или другой элемент третьей группы), то он может принять на свою внешнюю орбиталь четвертый электрон. Такой переход возможен, если после него электрон находится на уровне, не очень удаленном от верхнего края валентной зоны (рис. 1.2, в, уровень WA). В данном случае атом примеси действует как акцептор электрона. а в валентной зоне появляется вакансия и полупроводник приобретает проводимость р-типа. [c.19]

    Для практич. использования П. очень важгга возможность создания переходного слоя, так наз. р п-перехода, где соприкасаются или непосредственно переходят друг в друга области проводимости разных типов — дырочная и электронная. Физич. основой большинства применений П. являются электронные процессы, происходяш,ие в этой переходной области, напр, такие процессы, как генерация и рекомбинация носителей тока. При воздействии на П. света и различных ионизирующих излучений происходит переход электронов П. в зону проводимости. Тепловое движение также обеспечивает при всех темп-рах переброс пек-рого количества электронов в зону проводимости. Ионизация примесей в П. при комнатной темп-ре обусловлена тем, что отрыв электронов облегчается поляризуемостью среды, в к-рой находится примесный атом. Поляризуемость среды, характеризуемая диэлектрич. постоянной, ослабляет силы связи между электронами и ядром примесного атома и уменьшает энергию ионизации. Диэлектрич. постоянная е связана с энергией активации собственной проводимости выражением ъ-АЕ = onst. Кроме указанных параметров, для П. важно знание времени жизни носителей тока, характеризующего скорость процесса исчезновения неравновесных носителей тока вследствие рекомбинации электронов с дырками. Для определения ширины запрещенной зоны П. наряду с определением температурной зависимости электропроводности в области собственной проводимости применяют оптич. методы и определение температурной зависимости эффекта Холла. [c.122]

    В этом эксперименте особый интерес представляет тот факт, что по мере роста количества прореагировавшего водорода сопротивление проходит через максимум. В связи с результатами Чапмена, Гриффита и Марша [5] можно было бы предположить, что такое поведение обусловлено переходом от р-тииа проводимости к -типу по мере увеличения давления водорода однако для подтверждения такого вывода необходимы дополнительные измерения зависимости эффекта Холла или тер.моэлек-трического потенциала от количества прореагировавшего водорода. [c.252]

    На основе этого материала были изготовлены светодиоды, при чем р-/г-переход создавался путем диффузии алюминия в кристалл с проводимостью р-типа [52]. Впоследствии авторы нашли, что проводимость такого перехода полностью определялась концентрацией фотоносителей, то есть оп был фото-р-/г-переходом [53]. В темноте диоды обладали очень высоким сопротивлением, пока не начина лась электролюминесценция. В дальнейшем проводимость диода поддерживалась за счет фотопопнзации собственным улучшением дырочных и электронных ловушек с обеих сторон перехода. Квантовый выход достигал 18% при температуре 77°К- При комнатной температуре эффективность излучения была небольшой, однако Эйвен считает [16], что вполне возможно использовать этот эффект для создания фото-р-/г-переходов в соединениях сульфида и селенида цинка, для которых известны глубокие дырочные ловушки, и остается найти глубокие электронные ловушки. Эйвен предполагает, что их роль могут выполнить комплексы переходных металлов с одним из дефектов кристаллов. [c.43]

    В работе Андерсена с сотрудниками [104] были получены высокоомные р-и-переходы на n- dS при внедрении фосфора при 50 кэв и токе 5 а/см . Глубина проникновения фосфора составляла около 500 А и концентрация фосфора достигала 10 » см После бомбардировки кристаллы отжигали в парах серы в присутствии порошка сульфида кадмия цри температуре 450° С в течение 10 мин. Повышение температуры и увеличение длительности прогрева разрушало р-слой. При 10 ма наблюдалась слабая желтоватая электролюминесценция. Сульфид кадмия с высокой проводимостью р-типа был получен при ионном внедрении висмута в высокоомные образцы сульфида кадмия и-типа [20] прп 25 кэв и токе 1 —10 Ma M . Глубина проникновения ионов висмута достигала 2000—3000 А. Бомбардировка проводилась при комнатной температуре и отжиг не проводился влияние отжига не наблюдалось при прогреве до 375° К. Измерение температурной зависимости проводимости и эффекта Холла показало, что появился акцепторный уровень 0,015 эв. Светодиоды были получены при легировании низкоомных (1- 10 ом-см) образцов сульфида кадмия я-типа. При температуре 77° К наблюдалась зеленая электролюминесценция только при прямом смещении. Контактом к сульфиду кадмия р-типа была платина, а к стороне кристалла с проводимостью п-типа — вакуумнонапыленные серебро и индий. [c.52]

    В работе [107] предлагается новая модель, в которой электропроводность в NiO связывают с 2/5-полосой кислорода. Для описания оптического поглощения и края фотопроводимости используются заполненная 2р-полоса кислорода и пустая 45-полоса никеля с энергетической щелью между ними4эе. Так как непроводящие 3 -состояния заполнены, то чистая NiO — полупроводник с внутренней щелью 4 эв. Введение Li+ приводит к возникновению соседних Ni3+- o TOHHHn и этот комплекс действует как акцептор для 2р-полосы. При низких температурах Ni -AbipKa может перескакивать на Ni вблизи узла Li+ и таким образом создается вклад в электропроводность. При высоких температурах акцептор, являясь ионизованным, оставляет Ni + вблизи Li+, а дырка переходит в кислородную 2р-полосу. Эти дырки дают зонную проводимость р-типа, которая и наблюдается при средних температурах. За магнитные свойства и оптический спектр в NiO ответственны локализованные Зй-электроны. [c.89]

    Как в электронных, так и в ионных проводниках переход от избытка А к избытку В имеет большое значение для механизма проводимости. Поскольку вакансии А ведут себя как акцепторы, а вакансии В — как доноры, переход от избытка В к избытку А является переходом от преобладающей дырочной (р-тип проводимости) к преобладающей электронной проводимости (п-тип проводимости). В случае, приведенном на рис. XII 1.5 (область II, п р), переход от дырочной проводимости к электронной происходит в области собственной проводимости и оказывается внезапным для состояния, показанного на рис. XIII.6. Для ионной проводимости характерно противоположное поведение. Так, в случае, которому соответствует рис. XII 1.6 (область II [Уд] = » [Ув1), при переходе от проводимости, осуществляемой ионами А [Уд], к проводимости, определяющейся ионами В Уй1, в переносе тока принимают участие оба иона. В состоянии, представленном на рис. XIII.5, рассматриваемый переход осуществляется скачком. В приведенных рассуждениях рассмотрены лишь концентрации дефектов. В действительности важны не только концентра- [c.337]

    Как и для PbS, переход проводимости чистого теллурида кадмия и dTe, легированного примесными акцепторами (Ag, Au), от я-типа к р-типу осуществляется в узкой области давлений. На рис. XVI.24,a это показано для образца dTe + 5-10 Au/ ii . Однако для теллурида кадмия, легированного донорами (например, индием), имеется широкая переходная область, в которой сопротивление кристалла крайне высоко область проводимости р-типа с низким сопротивлением практически никогда не достигается (рис. XVI.24б). Это свидетельствует о том, что в кристаллах присутствуют центры с энергетическими уровнями, расположенными вблизи середины запрещенной зоны. [c.477]

    Измерения поверхностной проводимости можно осуществить несколькими способами. 1) Одним из таких способов является измерение общей проводимости в монокристаллах или поликристаллических образцах, состоящих из небольших зерен. Толщина слоя пространственного заряда в этих зернах относительно велика (СиаО) [17] . 2) В тех случаях, когда проводимость поверхностного слоя значительно больше, чем в объеме, т. е. если в объеме кристалл является фактически изолятором (СигО), то можно использовать кристаллы обычных размеров [18]. 3) Использование электрического поля между кристаллом и металлическим плоским электродом, помещенным вблизи поверхности кристалла, изменяет свойства поверхностного слоя как в области пространственного заряда, так и в адсорбционном слое. Исследуя влияние электрических полей различных частот (постоянный или переменный ток от 0,01 гц до высоких частот) на проводимость, можно обнаружить особые состояния — ловушки с большими и малыми временами релаксации (так называемые медленные и быстрые состояния). Теория низкочастотных измерений изложена в работе Моррисона [19], теория высокочастотных эффектов приведена в работе Гаррета [20[ и Верца [21]. Измерения такого типа были проведены для Ое [22, 23], Те [24] и РЬ5[251. 4) В тех случаях когда поверхностный слой кристалла обладает проводимостью л-типа, а проводимость его в объеме характеризуется р-типом или наоборот ( каналы ) [261, ток, идущий от поверхностного слоя к объему, можно запереть с помощью наложения разности потенциалов между поверхностным слоем и объемом кристалла, так что р-п-переход смещается в направлении запирания. При таких условиях возникающий в поверхностном слое ток не проникает в объем кристалла и поверхностная проводимость может быть измерена, даже если объемная проводимость велика. В последнее время оказалось возможным измерить не только проводимость, но и постоянную Холла Р) поверхностного слоя и таким образом определить подвижность носителей р, = [27[. Измерения поверхностной проводимости германия показали, что, если предпринять особые меры для очистки поверхности (ионная бомбардировка, травление путем испарения в высоком вакууме), [c.556]

Внутренние полупроводники — Разработка LibreTexts

Полупроводники являются одним из трех классов электрических материалов и являются основой каждого твердотельного электронного устройства, которое используется сегодня. Собственные полупроводники, также известные как чистые или нелегированные полупроводники, описывают идеальные полупроводниковые кристаллы, не содержащие дефектов и примесей других элементов. Собственные полупроводники, которые намеренно легированы другими элементами, называются внешними полупроводниками.Собственные свойства обнаруживаются у всех полупроводниковых материалов, даже тех, которые легированы другими элементами, при этом легирующие элементы придают другие желаемые свойства.

Введение

Все полупроводники обладают внутренними свойствами, которые описаны здесь; даже внешние полупроводники обладают основными внутренними свойствами. Собственные по определению означает естественные или врожденные, а собственные полупроводники — это объемные свойства самого полупроводникового материала, а не свойства примесей или примесей.Кремний и германий являются двумя наиболее часто используемыми примерами собственных полупроводников, поскольку они являются элементарными полупроводниками и были одними из первых широко изученных и используемых полупроводников. Электронная структура полупроводников — основа их уникальных свойств. Механизмы, которые делают полупроводники отдельным классом материалов, основаны на электрической структуре, которая определяет основные свойства полупроводников.

Электрическая конструкция

Свойства собственных полупроводников можно описать с помощью зонной теории полупроводников, которая показана на рисунке 1.

Рис. 1. Зонная диаграмма внутреннего полупроводника, показывающая энергию Ферми, зоны проводимости и валентности, а также запрещенную зону.

Хотя зонная структура полупроводников может выглядеть очень похожей на структуру изолятора, запрещенная зона между зоной проводимости и валентной зоной в полупроводнике имеет гораздо меньшую энергию, обычно менее 4 эВ. Свойства полупроводников сильно зависят от температуры. Эта температурная зависимость возникает из-за того, что при 0 К в зоне проводимости нет электронов.Это напрямую связано с энергией Ферми , которая является максимальной энергией электрона при 0K. Поскольку ширина запрещенной зоны или запрещенная область не имеет вероятности того, что электрон займёт эту область, максимальная энергия, которую электрон в полупроводнике может достичь при 0 К, находится на верхнем крае валентной зоны. При повышении температуры электроны в валентной зоне могут набирать достаточно энергии, чтобы перескочить из запрещенной зоны в зону проводимости, и они оставляют после себя дырку, которая представляет собой область локального положительного заряда, которую когда-то занимал электрон.Число электронов, пересекающих зазор, зависит от температуры и от конкретного внутреннего материала. Эти пары электронов-дырок притягиваются друг к другу своим электрическим зарядом и называются экситонами. В собственных полупроводниках имеется равное количество электронов и дырок в материале; для каждого электрона, который должен пройти через зазор, остается дыра. Энергия запрещенной зоны, которая зависит от материала, также зависит от температуры и уменьшается с температурой в ограниченной степени в зависимости от материала.{2}} {T + \ Theta _ {D}} Ур. 1 _ {[2]} \] где E _gapO — это энергия запрещенной зоны при 0K, ξ — постоянная величина, T — температура, а θ _D — температура Дебая, которая зависит от материала.

Энергия запрещенной зоны и количество электронов и дырок в валентной зоне и зоне проводимости, а также чистая кристаллическая решетка важны для понимания электронной структуры собственных полупроводников и являются основой для понимания свойств полупроводников. .

Очистка / обработка

Одной из наиболее важных проблем, связанных с собственными свойствами полупроводника, является отсутствие примесей в материале. Примеси могут изменять зонную структуру, ширину запрещенной зоны, энергию Ферми, а также концентрацию электронов и дырок в полупроводнике, точно так же, как легирующие примеси в примесных полупроводниках. Таким образом, чистота собственных полупроводниковых материалов должна быть менее нескольких частей на миллиард [4], и для конкретных применений она может быть очищена выше 99,999% [4].

Большая часть очистки полупроводников осуществляется с помощью химических процессов, но такие процессы, как зонная очистка, используются для уже затвердевших материалов. Зонное измельчение — это процесс, при котором твердый кусок материала нагревается в локальном месте на конце материала до тех пор, пока на конце не образуется небольшая расплавленная область, и медленно перемещается по всей длине материала, пока весь материал не испытает локальное плавление. Причина этого процесса заключается в том, что жидкий расплав может растворять больше примесей, чем твердый, и, таким образом, улавливать примеси в расплаве вместо затвердевшего материала.После завершения процесса конец, на котором находится затвердевший расплав, отрезают, чтобы удалить область концентрированной примеси. Процесс можно повторить для дальнейшего уточнения, но при этом необходимо пожертвовать большим количеством сыпучего материала.

Формирование объемных полупроводников осуществляется разными методами, но процесс Чохральского обычно используется для создания больших монокристаллических слитков или «булей» из какие полупроводниковые пластины производятся.Процесс Чохральского, показанный на рисунке 2, состоит из расплава кремния высокой чистоты или германия в тигле (этап 1) и затравочного кристалла. Затравочный кристалл заранее характеризуется ориентацией кристаллической решетки и подготавливается таким образом, чтобы кристалл формировался с желаемой ориентацией. Затем затравочный кристалл вводится в расплав (этап 2), медленно извлекается и вращается по мере затвердевания расплава вокруг затравочного кристалла (этап 3). Контроль температуры расплава и скорости охлаждения затвердевшего кристалла, который образуется из затравочного кристалла, имеет жизненно важное значение для этого процесса.После использования большей части расплава монокристаллический слиток удаляют (этап 4). Этот процесс обычно проводят в инертной среде, чтобы уменьшить попадание примесей в кристалл во время формирования.

Электрические характеристики

Полупроводники, как упоминалось ранее, являются одним из трех классов электронных материалов. Полупроводниковые материалы из-за зонной структуры становятся более проводящими с повышением температуры. Это свойство напрямую связано с концентрацией электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне, а эта концентрация электронов и дырок напрямую связана с температурой.{\ frac {-E_ {gap}} {2k_ {b} T}} \ label {2} \]

, которая является функцией эффективной массы электрона / дырки m * _{e / h} , постоянной Больцмана kB, температуры T, постоянной Планка h и ширины запрещенной зоны E _gap . Концентрация дана по количеству носителей. Известные данные для кремния и уравнение 2 были использованы для создания рисунка 3, который представляет собой типичный пример зависимости электронных и дырочных носителей в собственном полупроводнике от температуры.

На рис. 3 показано резкое увеличение числа несущих на отметке около 600 тыс. При более низких температурах, если в кристалле есть примеси, которые изменяют электроны в кристалле, дополнительные примеси изменяют концентрацию дырок или электронов в электронной структуре. Важность электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне напрямую связана с проводимостью. Электропроводность σ собственного полупроводника равна \ [\ sigma = e \ mu_ {e} N_ {e} + e \ mu_ {h} N_ {h} Eq. 3 _ {[1] [2]} \] и основан на количестве носителей электронов / дырок в зоне проводимости / валентной зоне N _{e / h} , подвижности электронов / дырок в зоне проводимости / валентной зоне μ _{e / h} , а заряд электрона e.

Проводимость кремния, основанная на данных о плотности носителей из рисунка 3, была построена с использованием уравнения 3 и показана на рисунке 4. Обратите внимание на сходство между рисунками 3 и 4. , поскольку электроны и дырки являются источником проводимости в собственных полупроводниках. На рис. 4 отчетливо видно сильное увеличение проводимости при высоких температурах, так же как и рост концентрации носителей заряда в той же области температур. Это повышение проводимости с повышением температуры противоположно Металлу, поскольку металлы уменьшают проводимость с повышением температуры.Это свойство делает полупроводники вариантом материала для использования в высокотемпературных электрических устройствах.

Другое — магнитные и оптические свойства

Внутренние полупроводники являются парамагнитными материалами и не используются для каких-либо конкретных магнитных приложений. Хотя полупроводники используются в датчиках на эффекте Холла для измерения магнитного поля, это применение зависит от электрических свойств материала, а собственные полупроводники обычно не используются для этой цели из-за их плохой проводимости вблизи температур окружающей среды.

Собственные полупроводники — это диэлектрический материал, и оптические свойства определяются диэлектрической поляризацией. Полупроводники также обладают уникальным свойством, заключающимся в том, что энергия запрещенной зоны находится в спектре инфракрасного света, и фотоны до этой энергии могут продвигать электрон в зону проводимости через запрещенную зону. Однако в большинстве оптических приложений в качестве оптических подложек используются легированные полупроводники, в первую очередь кремний и германий, поскольку специфические спектры поглощения регулируются с помощью легирующих добавок.

вопросов

1. В чем основное отличие электронной структуры полупроводников от диэлектриков?
2. Почему в собственном полупроводнике одинаковое количество электронов и дырок?
3. Если небольшое количество примесей изменяет концентрацию электронов или дырок в собственном полупроводнике, как это повлияет на электрическую проводимость при низких температурах?
4. Как можно использовать электропроводность, чтобы определить, является ли материал металлом или полупроводником?

ответы

1. В то время как электронная структура полупроводника и изолятора выглядит одинаково, ширина запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной намного меньше, что позволяет электронам возбуждаться через запрещенную зону, обеспечивая проводимость.
2. Существует равное количество электронов и дырок в собственном полупроводнике, потому что для каждого электрона, продвигаемого из валентной зоны в зону проводимости, в валентной зоне создается одна дырка.
3. Примеси могут вызвать изменение проводимости, поскольку проводимость зависит от количества дырок или электронов в валентной зоне или зоне проводимости полупроводника. Поскольку при низких температурах количество электронов, продвигающихся через запрещенную зону, невелико, примеси будут доминировать в любой электрической проводимости при низких температурах.
4. Хотя саму электрическую проводимость нельзя измерить напрямую, у металла будет уменьшаться проводимость с повышением температуры, а у полупроводника — с повышением температуры.

Дополнительные ссылки

• Полупроводники (все предметы) — Гиперфизика
• Буль (Кристалл) — Википедия
• Типы полупроводников — Институт технологий и менеджмента Ганди, Департамент инженерной физики
• Внутренние полупроводники — основы физики полупроводников, оптика 4 Инженеры

Список литературы

1. С.О. Касап, Принципы электронных материалов и устройств , 3 ^rd ed. Нью-Йорк: Макгроу Хилл, 2006
2. R.E. Hummel, Электронные свойства материалов , 4-е изд. Нью-Йорк: Springer, 2012.
.
3. Д. Б. Сирдешмук и др., Электрические, электронные и магнитные свойства твердых тел. Нью-Йорк: Springer, 2014.
4. Высокочистый кремний для оптики , (2011) Lattice Materials LLC [Online — PDF] Доступен

Авторы

• Дэвид Лойола — студент — Калифорнийский университет в Дэвисе — факультет химической инженерии и материаловедения

Электрические свойства полупроводников — обзор

1 Введение

1.1 Общие сведения

В последние годы химики и физики приложили немало усилий для открытия новых наноматериалов для различных применений (Haque et al., 2018). Одним из наиболее подвижных направлений химических исследований является разработка неорганических наноматериалов, включая металлы, полупроводники и изоляторы в диапазоне размеров 1–100 нм (Haque et al., 2018). Динамическое поведение низкоразмерных полупроводников также стало важной частью недавних исследований.Это позволило провести интенсивные исследования, связанные с их новыми оптическими, механическими и транспортными явлениями. Доступно множество низкоразмерных полупроводников, включая квантовые проволоки, квантовые ямы и квантовые точки (Xu et al., 2018). Среди них большую популярность приобрели квантовые точки (Chen et al., 2019). Квантовые точки представляют собой нульмерные структуры, в которых электроны делокализованы по всем трем пространственным измерениям, что приводит к «эффекту квантового ограничения» (Rao et al., 2019a; Чакраборти и др., 2019). Квантовое ограничение происходит, когда размер нанокристалла становится меньше по сравнению с удвоенным радиусом Бора, который затем становится слабым, когда он превышает радиус Бора (Bergren et al., 2016).

В полупроводниковых нанокристаллах, когда фотон поглощает энергию, превышающую энергию запрещенной зоны полупроводника, это приводит к генерации электронно-дырочных пар или экситонов, в которых электроны и дырки связаны электростатическим притяжением. Среднее расстояние между электроном и дыркой в ​​экситоне порядка боровского радиуса.Оптические и электрические свойства полупроводникового нанокристалла затем становятся зависимыми от его физических размеров, когда его размер приближается к размеру радиуса Бора (Chakraborty et al., 2019).

Люминесцентные полупроводниковые квантовые точки демонстрируют замечательную фотостабильность, широкие профили поглощения, высокие квантовые выходы и стабильность к фотообесцвечиванию. Контролируемые люминесцентные характеристики формы и размера квантовых точек возникают из-за эффекта квантового ограничения, который позволяет использовать связанные материалы, такие как оптическое изображение, для эквивалентного исследования разнородных аналитов.Большие стоксовые и тонкие полосы излучения смещаются в спектрах люминесценции квантовых точек, что позволяет эффективно связывать другие флуорофоры или квантовые точки с излучаемым светом (Owen and Brus, 2017). Следовательно, эти системы широко исследовались как потенциальные материалы для разноцветных фотолюминесцентных зондов, люминесцентных биологических меток, маркеров в визуализации, излучателей в светоизлучающих диодах, усиливающих сред в лазерах, светоуборочных комбайнов в фотовольтаике, фотокатализе и в различных приложениях для обработки окружающей среды (Sundheep и другие., 2019; Рамачандран и др., 2019; Маллик и др., 2019).

1.2 Потребность в устойчивом развитии

Чистая окружающая среда, вода и энергия являются основными потребностями для выживания человека и экономического развития (Gopinath et al., 2019). Однако рост спроса на различные продукты побудил производителей использовать рискованные, но прибыльные способы производства, что привело к долгосрочным угрозам для окружающей среды (Zandi et al., 2019). Кроме того, использование энергии из ископаемых видов топлива, таких как нефть, природный газ и уголь, привело к загрязнению воздуха и водных объектов (BusaidiBaawain et al., 2019). Ограниченная доступность ископаемых видов топлива и их нерегулируемое ежегодное увеличение потребления могут привести к энергетическим кризисам в будущем. После подписания Киотского протокола в 2005 году эти вопросы возникли в глобальном сценарии весьма спорно (Chen and Chen, 2002). Формулировка и реализация комплексного набора политик, одновременно решающих энергетические и экологические проблемы, столкнулись с рядом проблем в такой развитой стране, как Соединенные Штаты Америки (Greening and Bernow, 2004).Однако нынешняя политика и технологии неэффективны для реализации долгосрочных целей (Andrews and Govil, 1995). Чтобы справиться с энергетическим кризисом на основе ископаемого топлива и загрязнением окружающей среды, существует большая потребность в более экологически чистых и устойчивых источниках, которые могут решить проблемы, связанные как с энергией, так и с окружающей средой.

Нанотехнологии могут быть очень многообещающей областью для развития устойчивого развития. Это новая область, которая может способствовать разработке более разумных материалов, способных как генерировать энергию, так и разрушать токсичные загрязнители окружающей среды.Он занимается проектированием материалов и манипуляциями с ними на молекулярном уровне. Быстрая разработка новых наноматериалов может создать возможности для инноваций в новых продуктах и ​​высокопроизводительных приложений (Jyothi et al., 2019). Изготовление таких новых функциональных материалов с регулируемыми размерами, формами, кристалличностью, пористостью и структурой имеет большое значение для новых инноваций в устойчивых энергетических технологиях (RoyDas et al., 2019). Это также позволяет изготавливать материалы, обладающие определенными функциональными возможностями, способными распознавать конкретный загрязнитель в смеси (Dharupaneedi et al., 2019). Таким образом, огромный прогресс в области нанотехнологий может привести к базовому пониманию физики на наномасштабе, чтобы контролировать свойства системы и искать новые материалы для применения в энергетике и окружающей среде (Chung et al., 2012).

Низкоэнергетический синтез наноматериалов на основе растворов позволит использовать их в устройствах (Bera et al., 2019). Среди наноматериалов потенциальными кандидатами являются фотоактивные наночастицы оксида металла, квантовые точки и наноматериалы на основе углерода, поскольку они полагаются на солнечный свет, который сам по себе является чистым и устойчивым источником энергии.Эффект квантового ограничения в наноматериалах, таких как квантовые точки, привел к появлению многих увлекательных оптоэлектронных функций, которые делают их весьма подходящими кандидатами для приложений, связанных с энергетикой и окружающей средой. Более того, такие интеллектуальные функциональные материалы могут быть полезны при разработке чистых и устойчивых источников энергии, а также для устройств на основе очистки воды и воздуха. Нанокомпозиты на основе углерода, такие как углеродные квантовые точки (ККТ), могут играть важную роль в этом отношении благодаря своим отличительным оптоэлектронным свойствам.В последние годы эти экологически чистые материалы на основе углерода широко исследуются на предмет применения в фотоэлектрических системах, расщеплении воды и их способности разлагать вредные загрязнители (Sarkar et al., 2016; Reddy et al., 2019a, 2019b; Mishra et al. , 2019a; Rao et al., 2019b).

1.3 Углеродные квантовые точки (ККТ)

Наноматериалы на основе углерода приобрели большое значение благодаря своим выдающимся оптическим, электронным, механическим и оптическим характеристикам (Sarkar et al., 2016). Среди них углеродные точки (CD) имеют наибольшее значение из-за их биосовместимости, обилия сырья в природе, низкой токсичности, устойчивости к фотообесцвечиванию и экономической эффективности (Wang et al., 2014). Эти материалы с размерами в диапазоне 1–10 нм классифицируются как полимерные точки (PD), квантовые точки графена (GQD) и углеродные квантовые точки (CQD) (Sarkar et al., 2016). CQD представляют собой нульмерные флуоресцентные углеродные наноматериалы, содержащие sp ² гибридизированных атомов углерода с поверхностной пассивностью по отношению к кислородсодержащим функциональным группам, таким как гидроксильные и карбоксильные группы. В отличие от других полупроводников, ККТ химически инертны, биосовместимы, могут быть легко функционализированы и устойчивы к фотообесцвечиванию (Linehan and Doyle, 2014).Их выдающиеся фотофизические свойства, биосовместимость и низкая стоимость делают их идеальными в областях биоимиджинга (Roy et al., 2019), зондирования (Shetti et al., 2019a) и фотокатализа.

Исследователи сообщили о нескольких основных разработках модификаций CQD и их приложений. Однако проблемы, основанные на оптических и электронных свойствах, в основном связаны с дефектами в CQD, агломерация CQD во время синтеза CQD влияет на однородность по размеру и поверхностные свойства.До настоящего времени подходы к точному контролю дефектов в CQD недоступны. Следовательно, необходимо приложить больше усилий для структурного синтеза CQD с атомарной точностью. Кроме того, критически важными проблемами являются модификация CQD с контролируемой функционализацией и допирование CQD. Большинство CQD в фотокатализе продемонстрировали ограниченную светособирающую способность, но имеется лишь несколько отчетов о фотостабильности нанокомпозитов на основе CQD, что означает дальнейшую разработку стабильных фотокаталитических систем на основе CQD для полезных приложений (Duarah and Карак, 2019; Ghosh et al., 2019; Mishra et al., 2019b). В биомедицинской области сообщалось о многих исследованиях, основанных на токсичности CQD и связанном с ними механизме. C-точки считаются компетентными наноархитектурами для доставки лекарств и биоизображения, но их низкий размер и поверхностные характеристики препятствуют их более широкому использованию (Kaushik et al., 2019; Gulla et al., 2019). Чтобы преодолеть проблемы биоразлагаемости и токсичности, были разработаны новые флуоресцентные материалы, такие как CQD, обладающие лучшей оптической, биологической, химической инертностью и низкой токсичностью по сравнению с полупроводниковыми квантовыми точками (Deng et al., 2019).

Этот своевременный обзор суммирует модификации поверхности и настройку запрещенной зоны ККТ различными новыми металлами и оксидами металлов. В обзоре будет рассмотрен взгляд на изменение оптических свойств при модификации поверхности CQD. В более поздних частях больше внимания будет уделено приложениям для обработки / расщепления воды, таким как обнаружение ионов тяжелых металлов, фотодеградация красителей и производство CQD H ₂ . Наконец, ограничения и проблемы CQD будут обсуждены вместе с последними опубликованными отчетами для количественного обсуждения.

1. Свойства полупроводников: Hitachi High-Tech GLOBAL

Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают определенными электрическими свойствами. Вещество, проводящее электричество, называется проводником, а вещество, которое не проводит электричество, называется изолятором. Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства могут быть обозначены удельным сопротивлением.Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Изоляторы, такие как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и плохо пропускают электричество. Полупроводники обладают чем-то средним по свойствам. Их удельное сопротивление может изменяться, например, в зависимости от температуры. При низкой температуре через них почти не проходит электричество. Но при повышении температуры электричество через них легко проходит.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество.Но когда к полупроводникам добавляются какие-то элементы, электричество легко проходит через них.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светодиодах и т. Д.

Энергетический диапазон

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на любом расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается в кристалл и взаимодействует в твердом материале, а затем энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы. Это энергетическая полоса.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой.Их ленточная структура показана на рисунке ниже.

В металлах зона проводимости и валентная зона очень близки друг к другу и могут даже перекрываться, причем энергия Ферми (Eｆ) находится где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно перемещаться и поэтому всегда могут проводить ток. Такие электроны известны как свободные электроны. Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.

В полупроводниках и изоляторах валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической щелью (Eg) достаточной ширины, а энергия Ферми (Eｆ) находится между валентной зоной и зоной проводимости.Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен набрать достаточно энергии, чтобы перескочить через запрещенную зону. Как только это будет сделано, его можно будет проводить.

В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, тепловой энергии достаточно, чтобы позволить электронам довольно легко перепрыгивать через зазор и переходить в зону проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника. При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и поэтому движение заряда невозможно.При абсолютном нуле полупроводники являются идеальными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора. Именно поэтому этот вид материала называется полупроводником, то есть полупроводником.

Ширина запрещенной зоны изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах не течет легко.Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в величине запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электрическая проводимость изолятора очень низкая.

Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. Д., Представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты с содержанием 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств.В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.

Пятивалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют в кремний высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Энергетический уровень донора расположен близко к зоне проводимости, то есть запрещенная зона мала. Затем электроны на этом уровне энергии легко возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость.

С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. Д.добавлен к полупроводнику p-типа. Это называется акцептором. Уровень энергии акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне. В результате в валентной зоне образуются дырки, которые вносят вклад в проводимость.

Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают определенными электрическими свойствами. Вещество, проводящее электричество, называется проводником, а вещество, которое не проводит электричество, называется изолятором.Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства могут быть обозначены удельным сопротивлением. Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Изоляторы, такие как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и плохо пропускают электричество. Полупроводники обладают чем-то средним по свойствам. Их удельное сопротивление может изменяться, например, в зависимости от температуры. При низкой температуре через них почти не проходит электричество.Но при повышении температуры электричество через них легко проходит.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество. Но когда к полупроводникам добавляются какие-то элементы, электричество легко проходит через них.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светодиодах и т. Д.

Энергетический диапазон

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на любом расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается в кристалл и взаимодействует в твердом материале, а затем энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы.Это энергетическая полоса.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой. Их ленточная структура показана на рисунке ниже.

В металлах зона проводимости и валентная зона очень близки друг к другу и могут даже перекрываться, причем энергия Ферми (Eｆ) находится где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно перемещаться и поэтому всегда могут проводить ток. Такие электроны известны как свободные электроны.Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.

В полупроводниках и изоляторах валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической щелью (Eg) достаточной ширины, а энергия Ферми (Eｆ) находится между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен набрать достаточно энергии, чтобы перескочить через запрещенную зону. Как только это будет сделано, его можно будет проводить.

В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, тепловой энергии достаточно, чтобы позволить электронам довольно легко перепрыгивать через зазор и переходить в зону проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника.При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и поэтому движение заряда невозможно. При абсолютном нуле полупроводники являются идеальными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора. Именно поэтому этот вид материала называется полупроводником, то есть полупроводником.

Ширина запрещенной зоны изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах не течет легко. Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в величине запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электрическая проводимость изолятора очень низкая.

Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. Д., Представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты с содержанием 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств. В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.

Пятивалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют в кремний высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Энергетический уровень донора расположен близко к зоне проводимости, то есть запрещенная зона мала.Затем электроны на этом уровне энергии легко возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость.

С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. Д. Добавляется в полупроводник p-типа. Это называется акцептором. Уровень энергии акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне. В результате в валентной зоне образуются дырки, которые вносят вклад в проводимость.

Полупроводник | Викитроника | Fandom

A semiconductor — твердое тело, электропроводность которого можно регулировать в широком диапазоне, постоянно или динамически.Полупроводники имеют огромное технологическое и экономическое значение. Кремний — наиболее коммерчески важный полупроводник, хотя важны и десятки других.

Полупроводниковые устройства , электронные компоненты, изготовленные из полупроводниковых материалов, необходимы в современных электрических устройствах, от компьютеров до сотовых телефонов и цифровых аудиоплееров.

Обзор []

Полупроводники очень похожи на изоляторы. Две категории твердых тел различаются в первую очередь тем, что изоляторы имеют большую запрещенную зону — энергию, которую электроны должны приобретать, чтобы свободно течь.В полупроводниках при комнатной температуре, как и в изоляторах, очень немногие электроны получают достаточно тепловой энергии, чтобы перепрыгнуть через запрещенную зону, необходимую для проводимости. По этой причине чистые полупроводники и изоляторы в отсутствие приложенных полей имеют примерно одинаковые электрические свойства. Однако меньшая ширина запрещенной зоны полупроводников позволяет использовать многие другие средства, помимо температуры, для управления их электрическими свойствами.

Собственные электрические свойства полупроводников очень часто необратимо изменяются путем введения примесей в процессе, известном как легирование.Обычно разумно предположить, что каждый примесный атом добавляет один электрон или одну «дырку» (концепция будет обсуждена позже), которые могут свободно течь. При добавлении достаточно большой доли легирующих примесей полупроводники проводят электричество почти так же хорошо, как металлы. В зависимости от типа примеси область полупроводника может иметь больше электронов или дырок, и тогда она называется полупроводником N-типа или P-типа соответственно. Переходы между областями полупроводников N- и P-типа имеют встроенные электрические поля, которые заставляют электроны и дырки выходить из них и имеют решающее значение для работы полупроводниковых устройств.Кроме того, разница в плотности примесей создает в этой области небольшое электрическое поле, которое используется для ускорения неравновесных электронов или дырок в нем.

Помимо постоянной модификации посредством легирования, электрические свойства полупроводников часто динамически изменяются путем приложения электрических полей. Возможность управлять проводимостью в небольших и четко определенных областях полупроводникового материала, как статически посредством легирования, так и динамически посредством приложения электрических полей, привела к разработке широкого диапазона полупроводниковых устройств, таких как транзисторы.Полупроводниковые устройства с динамически регулируемой проводимостью являются строительными блоками интегральных схем, таких как микропроцессор. Эти «активные» полупроводниковые устройства комбинируются с более простыми пассивными компонентами, такими как полупроводниковые конденсаторы и резисторы, для производства различных электронных устройств.

В некоторых полупроводниках, когда электроны попадают из зоны проводимости в валентную зону (уровни энергии выше и ниже запрещенной зоны), они часто излучают свет. Этот процесс фотоэмиссии лежит в основе светоизлучающих диодов (LED) и полупроводниковых лазеров, которые имеют очень важное коммерческое значение.И наоборот, полупроводниковое поглощение света в фотодетекторах возбуждает электроны из валентной зоны в зону проводимости, облегчая прием оптоволоконной связи и обеспечивая основу для энергии от солнечных элементов.

Полупроводники могут быть элементарными материалами, такими как кремний и германий, или сложными полупроводниками, такими как арсенид галлия и фосфид индия, или сплавами, такими как кремний-германий или арсенид алюминия-галлия.

Ленточная структура []

Зонная структура полупроводника с полной валентной зоной и пустой зоной проводимости.

Шаблон: Подробности

Подобно другим твердым телам, электроны в полупроводниках могут иметь энергию только в определенных диапазонах между энергией основного состояния, соответствующей электронам, прочно связанным с атомными ядрами материала, и энергией свободных электронов, которая является энергией, необходимой для электрон, чтобы полностью покинуть материал. Каждая энергетическая зона соответствует большому количеству дискретных квантовых состояний электронов, и большинство состояний с низкой энергией заполнены до определенной зоны, называемой валентной зоной .Полупроводники и изоляторы отличаются от металлов, потому что валентная зона в первых материалах почти заполнена при нормальных условиях.

Легкость, с которой электроны в полупроводнике могут быть возбуждены из валентной зоны в зону проводимости, зависит от ширины запрещенной зоны между зонами, и именно размер этой запрещенной зоны служит произвольной разделительной линией (примерно 4 эВ ) между полупроводниками и изоляторами.

Электроны должны перемещаться между состояниями, чтобы проводить электрический ток, и поэтому из-за принципа исключения Паули полные зоны не влияют на электрическую проводимость.Однако по мере того, как температура полупроводника поднимается выше абсолютного нуля, состояния электронов становятся все более рандомизированными или размытыми, и некоторые электроны, вероятно, будут обнаружены в состояниях зоны проводимости , которая является зоной непосредственно над зоной проводимости. валентная полоса. Электроны с током в зоне проводимости известны как «свободные электроны», хотя их часто называют просто «электронами», если контекст позволяет прояснить это использование.

Электроны, возбужденные в зону проводимости, также оставляют электронные дырки или незанятые состояния в валентной зоне.И электроны зоны проводимости, и дырки валентной зоны вносят свой вклад в электрическую проводимость. Сами дырки на самом деле не перемещаются, но соседний электрон может двигаться, чтобы заполнить дыру, оставляя дыру в том месте, откуда он только что появился, и таким образом кажется, что дырки движутся, и дырки ведут себя так, как если бы они были реальные положительно заряженные частицы.

Одна ковалентная связь между соседними атомами в твердом теле в десять раз сильнее, чем связь одного электрона с атомом, поэтому освобождение электрона не означает разрушения кристаллической структуры.

Понятие дырок, которое было введено для полупроводников, также может быть применено к металлам, где уровень Ферми находится на в пределах зоны проводимости. В случае большинства металлов эффект Холла показывает, что электроны являются носителями заряда, но некоторые металлы имеют в основном заполненную зону проводимости, а эффект Холла выявляет положительные носители заряда, которые являются не ионными остовами, а дырками. Сравните это с некоторыми проводниками, такими как растворы солей или плазма. В случае с металлом электронам требуется лишь небольшое количество энергии, чтобы найти другие незанятые состояния и перейти в них, и, следовательно, для протекания тока.Иногда даже в этом случае можно сказать, что дыра осталась позади, чтобы объяснить, почему электрон не возвращается к более низким энергиям: он не может найти дыру. В конце концов, в обоих материалах электрон-фононное рассеяние и дефекты являются основными причинами сопротивления.

Распределение Ферми-Дирака. Состояния с энергией ниже энергии Ферми здесь имеют более высокую вероятность быть занятыми, а состояния выше — с меньшей вероятностью. Смазанность распределения увеличивается с повышением температуры.

Энергетическое распределение электронов определяет, какие из состояний заполнены, а какие пусты. Это распределение описывается статистикой Ферми-Дирака. Распределение характеризуется температурой электронов и энергией Ферми или уровнем Ферми . В условиях абсолютного нуля энергию Ферми можно рассматривать как энергию, до которой заняты доступные электронные состояния. При более высоких температурах энергия Ферми — это энергия, при которой вероятность того, что состояние будет занято, упала до 0.5.

Зависимость распределения электронов по энергии от температуры также объясняет, почему проводимость полупроводника сильно зависит от температуры, поскольку полупроводник, работающий при более низких температурах, будет иметь меньше свободных электронов и дырок, способных выполнять эту работу.

Энергия-импульсная дисперсия []

В предыдущем описании для простоты игнорируется важный факт: дисперсия энергии. Причина, по которой энергии состояний расширяются в полосу, состоит в том, что энергия зависит от значения волнового вектора или k-вектора электрона.В квантовой механике k-вектор является представлением импульса частицы.

Дисперсионное соотношение определяет эффективную массу электронов или дырок в полупроводнике по формуле:

Эффективная масса важна, поскольку она влияет на многие электрические свойства полупроводника, такие как подвижность электронов или дырок, которая, в свою очередь, влияет на коэффициент диффузии носителей заряда и электропроводность полупроводника.