• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

ЛЕКЦІЯ ХХIV

W

ПЛАН

ТЕМА: ЕЛЕМЕНТИ ЗОННОЇ ТЕОРІЇ ТВЕРДИХ ТІЛ.

ЛЕКЦІЯ ХХIII

1. Енергетичні зони у кристалах.

2. Метали. Діелектрики. Напівпровідники з точки зору зонної теорії
твердих тіл.

3. Власна провідність напівпровідників.

4. Домішкові напівпровідники.

5. Р-п перехід.

6. Вентильний фотоефект.

1. Для опису різних властивостей твердого тіла користуються зонною теорією твердого тіла, яка була створена у 1932 р.

Маємо два атоми, або дві молекули, які розташовані на відстані, що виключає їх взаємодію. Почнемо їх зближати до відстані, котра дорівнює відстані (а) між вузлами кристаличної решітки.

За рахунок перикриття хвильових функцій електронів, які стимулюються переходом електронів з одного атома до другого, буде зростати енергія взаємодії цих часток. При цьому кожен енергетичний рівень ізольованого атома буде розщеплюватись на підрівні, утворюючи й енергетичну зону. А накладання цих зон буде давати енергетичну зону для електронів даного сорту в кристалі.

У кожній зоні – п станів (кількість атомів у кристалах), тому в ній може бути розташовано (2п) електрони. Виходячи з цього, заповнення рівнів буде відбуватися так: спочатку будуть заповнюватися рівні з меншою енергією, а потім усе вищі та вищі. Якщо у якійсь зоні ці рівні зайняті, то ця зона має назву – зона валентності (валентна зона).

Будь-який вплив на електрон цієї зони не змінить розподілу електронів. Потрібна відповідна енергія для переходу електрона з цієї зони у вище розташовану, яка або повністю вільна, або частково заповнена.

Ці зони розділені енергетичним проміжком, який називається заборонена зона.

2.Залежно від характеру заповнення зони провідності (З.П.) та
ширини (3.3.) забороненої зони усі тверді тіла діляться на діелектрики,
провідники та напівпровідники.

Діелектрики. Ширина забороненої зони не більше ніж 5 еВ. У зоні провідності електронів немає. Фізично це означає, що сили притягання електронів у зоні валентності до вузлів решітки настільки великі, що для відриву електрона необхідна додаткова енергія. Тому опір діелектриків дуже великий. Але зі збільшенням температури або під впливом якихось \у зовнішних полів у зоні провідності можуть з'явитися електрони, а при великій напрузі, наприклад, зовнішнього електронного поля може виникнути перекриття енергетичних зон.

Провідники. Якщо АЕ —> 0 або ДЕ=0, тоді електрони або не . .

можуть вільно переходити з валентної зони в зону провідності, або внаслідок перекриття зон зона провідності буде частково заповнена. У цьому випадкові маємо справу або з металами або напівметалом.

Напівпровідники. ^Ширина зони – « іеВ. При цьому відрізняють U<t<J>uMe^ бездомішкові напівпровідники (власна провідність) та домішкові напівпровідники.

3. Оскільки ширина 3.3. для напівпровідників «1 еВ, то під дією зовнішнього впливу (теплового, електромагнітного) електрон зможе перейти із валентної зони у зону провідності, а на вакантному місці в ВЗ має бути дірка. Тому власна провідність напівпровідника :

Експериментально було встановлено, що із збільшенням температури збільшується провідність за таким законом:

Це збільшення провідності використовується у термісторах (прилад для регулювання температури).

4. Власна провідність напівпровідників дуже мала, тому на практиці застосовують домішкові напівпровідники. Розглянемо кристал Cr (Si), який складається з чотирьох валентних атомів, і введемо в нього, наприклад, As. У цьому випадкові один валентний електрон As (миш'яку) не буде задіяний в утворенні ковалентного зв'язку й стане електроном провідності.

Оскільки його енергія відриву »10'² еВ, то на_п відстані 0,01еВ від ЗП у забороненій зоні з'явиться рівень, із якого електрони будуть переходити у зону провідності, збільшуючи тим самим конентрацію електронів у ЗП. Це напівпровідник п- типу( допорного типу). А якщо у 4-валентну зону добавити 3-валентну зону А1(В), то на атомі утвориться домішковий рівень – дірка, яка буде рухатися аналогічно електрону провідності. На зонній схемі це буде мати такий вигляд:

Це напівпровідники р-типу (акцепторний тип). Електрони із ЗВ будуть переходити на акцепторний рівень, збільшуючи концентрацію дірок у зоні валентності і зумовлюючи тим самим пріоритет діркової провідності.

5. Широко відоме застосування напівпровідників як підсилювачів та випрямлячів струму, які замінюють електронні прегради, для цього застосовують кристали, що мають р-перехід.

P-n-перехід можна отримати із розплаву кристалу германію (напівпровідників р-типу) , добавляючи у цей розчин кристалу індію.

Розглянемо схематично, до чого приведе контакт двох напівпровідників із різним типом провідності.

Нехай напівпровідники не контактують (а). Якщо їх привести у контакт (б), то невеличка кількість електронів із зони провідності п-кристалу перейде в р-кристал, а невелика кількість дірок перейде з р-кристалу в n-кристал, унаслідок чого n-провідник зарядиться позитивно, а напівпровідник р-типу негативно "-". Внаслідок цього енергетичні зони напівпровідника n-типу знизяться, а зони напівпровідника р-типу підвищаться. На межі контакту виникне контактна різниця потенціалів Wk-Цей процес буде відбуватися до тих пір, поки не зрівняються швидкості електронних перехідів. Але в п-області електронів більше, але їм треба для переходу в р-область отримати енергію W=qU_к. Однак імовірність отримати таку енергію дуже мала: в р-області, у якій елетронів мало, електрони легко можуть “скотитись з гірки^”.

Прикладемо тепер електронне поле до р-^переходу напругу U. "-" на n, a "+" на р. Унаслідок цього зони n-області піднімуться, а р-області опустяться, і потенціальний бар'єр зміниться. Зміна потенціального бар'єру приведе до збільшення спроможності електронів переходити із n-області в р-область, у той час як потік електронів із £ в п не зміниться. Це призведе до порушення стану рівноваги електронних переходів і тому через р-n- контакт у напрямку від п до р (-») тече струм, тим більший, ніж більша величина прикладеної напруги (U). При

оберненій полярності бар'єр W не зміниться, а збільшиться і буде становити:

Унаслідок цього струм із п вр область зміниться, ар an =const.

Із вищесказаного видно, що р-n- перехід володіє односторонньою провідністю і є випрямлячем.

Маємо справу з транзистором, який використовується вже не в якості випрямляча, а в якості підсилювача сигналу.

Є два способи підключення транзистора у полі: загальною базою –підсилювач з напруги, а загальним емітором – підсилювач зі струму.

Приведемо приклад, коли р-n- перехід можна використати як джерело фото-ЕРС (вентильний фотоефект). Якщо один із кристалів р-n- переходу буде прозорим для світла і почати освітлювати цей контакт з частотою (v), яка буде задовольняти наступне співвідношення hv > ΔЕ, то в рі п-кристалах з'являються додаткові електрони у ЗП (зони провідності) й додаткові дірки в ЗВ (зоні валентності).

Тоді електрони й дірки із зони валентності (ЗВ) зможуть переходити
на п із потенціального бар'єру, що внаслідок освітлення виникне струм у
напрямку n-р через р-n перехід. р~ И

Вентильний фотоефект – перетворювач енергії світла в електричну енергію (сонячні батареї).

Читайте також:

1. Вид заняття: лекція
2. Вид заняття: лекція
3. Вид заняття: лекція
4. Вид заняття: лекція
5. Вид заняття: лекція
6. Вступна лекція
7. Вступна лекція 1. Методологічні аспекти технічного регулювання у
8. Клітинна селекція рослин.
9. Колекція фонограм з голосами осіб, які анонімно повідомляли про загрозу вибуху
10. ЛЕКЦІЯ (4): Мануфактурний період світової економіки
11. Лекція - Геополітика держави на міжнародній арені
12. Лекція 02.04.2013

Переглядів: 868