Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Измерения постоянной Холла недвусмысленно подтвердили существование полупроводников как с электронной, так и с дырочной проводимостью. Более того, постоянная Холла оказалась положительной и для некоторых металлов, например для железа, что обусловлено 80 %-ным заполнением энергетической зоны, возникшей из З^-уровня энергии изолированного атома железа.
• Почему электрические свойства полупроводников очень сильно зависят от наличия примесей?
• Поясните аналогию между локализованным состоянием электрона на примесном центре и состоянием электрона в атоме водорода. Почему радиус орбиты электрона, связанного с примесным центром, много больше боровского радиуса а0 = ft2/(me2)?
• Что является аналогом ионизации атома водорода для нейтрального до-норного примесного центра в кристалле?
• Опишите физическую модель примесного акцепторного центра в полупроводниковом кристалле. Почему в рамках такой модели энергетические уровни локализованных электронных состояний лежат в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны?
• Как объяснить ионизацию акцепторного центра, не прибегая к концепции положительных дырок, а рассматривая переход электрона из состояния в валентной зоне на примесный уровень?
i I Е.И. Бутиков н др. Книга 3
306
VII. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
• В чем состоит принципиальное различие причин изменения электропроводности металлов и полупроводников при изменении внешних условий?
• Поясните, почему в реальных образцах собственных полупроводников при очень низких температурах преобладает примесная проводимость.
• Почему при низкой концентрации носителей тока в полупроводниках их распределение по энергиям будет классическим, а при высокой концентрации функция распределения имеет вид ступеньки? Как изменится функция распределения при повышении температуры?
• Что такое эффект Холла? Каким образом он позволяет судить о знаке носителей заряда в исследуемом образце?
• Объясните, почему на противоположных боковых гранях образца в магнитном поле при пропускании тока скапливаются заряды противоположного знака, хотя электрический ток переносится зарядами одного знака.
§ 37. Полупроводниковые приборы
Полупроводниковые материалы широко применяются в современной электронике. Полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы, интегральные схемы — выполняют те же функции, что и электронные вакуумные лампы. Но их габариты и потребляемая энергия настолько меньше, что они сделали возможным решение принципиально новых задач. Например, современный компьютер содержит столько функциональных элементов, что само его существование возможно только благодаря очень малому размеру этих элементов: на кремниевом монокристалле размером около 6,5 мм умещается несколько сотен тысяч транзисторов, соединенных в сложную электрическую схему.
Почти все полупроводниковые приборы имеют в основе монокристалл, содержащий две или более области с различными примесями. На границах областей с разным легированием возникают так называемые переходы. Перепады концентрации примесей в переходе и возникающие благодаря этому электрические поля вызывают целый ряд существенно нелинейных эффектов в электропроводности, благодаря которым и функционируют полупроводниковые приборы.
р-и-переходы. Принцип действия большинства приборов может быть понят на основе простейшего перехода, называемого р-п-переходом. Этот переход представляет собой систему из двух полупроводников, находящихся в контакте, причем в одном из них в качестве носителей преобладают электроны (м-тип), а в другом — дырки (р-тип).
Остановимся подробнее на качественном описании свойств р—п-перехода. Такой переход может быть изготовлен множеством спосо-
§ 37. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
307
бов, например диффузией донорных примесей с одного конца и акцепторных примесей с противоположного конца германия с собственной проводимостью, так чтобы возник переход от п- к p-области в очень тонком слое порядка 10-4 см.
Схема такого р-п-перехода показана на рис. 119.
Если бы р- и лг-области не были в контакте друг с другом, то каждая из них содержала бы определенное число неподвижных доноров и акцепторов, показанных на рис. 119а кружками с плюсами и минусами в них, а также носители — электроны и дырки, показанные знаками минус и плюс (без кружочков). Так как эти не соприкасающиеся области электрически нейтральны, то в каждой из Рис. П9. Схема р-гс-перехода, в них число носителей заряда равно котором р- и «-области монокри-числу атомов примеси. Конечно, бла- сталла отличаются только типом годаря тепловому движению в каждой пРимесеи из областей могут возникать и элект-
ронно-дырочные пары (собственная проводимость), но на этом рисунке они для простоты не показаны.
Диффузия электронов и дырок. Основные и неосновные носители.
Поскольку на самом деле р- и лг-области перехода находятся в контакте, то действительная картина отличается от нарисованной выше. Наиболее важное отличие определяется диффузией электронов из правой лг-области в левую p-область и диффузией дырок во встречном направлении. В результате этой диффузии нарушается электронейтральность у границ р- и лг-областей и в переходе возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии электронов и дырок через переход. Устанавливается динамическое равновесие, при котором в прилегающих к переходу областях наряду с основными носителями (электронами в лг-области и дырками в p-области) появляются неосновные носители с зарядами противоположного знака (дырки в п-области и электроны в p-области). Возникшее в переходе электрическое поле представляет собой потенциальный барьер для основных носителей и, напротив, «крутой склон» для неосновных, стремящийся вернуть их в ту область, где они были основными.
