WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаТехнічні науки → Електрони в твердому тілі. Електрони в кристалі. Електрони та дірки в кристалі - Реферат

Електрони в твердому тілі. Електрони в кристалі. Електрони та дірки в кристалі - Реферат

Реферат на тему:

Електрони в твердому тілі. Електрони в кристалі. Електрони та дірки в кристалі

Электрони в атомі

Тверді тіла складаються з атомів, які зв'язані одні з одними силами міжатомнї взаємодії. Якщо атоми в твердому тілі розміщені в строгому порядку то це кристал, якщо регулярність в розміщенні атомів порушується, то це або аморфне, або полікристалічне тверде тіло. Майже усі напівпровідникові прилади та мікросхеми виготовляються на основі кристалів.

Атом складається з додатньо зарядженого ядра та від'ємних електронів, які розподілені по оболонках. Кожній оболонці відповідає строго визначена енергія - енергетичний стан. Періодична система елементів Д.І.Менделеєва встановлює зв'язок між атомною вагою та будовою атома.Якщо електрон переходить з однієї оболонки на іншу, він змінює свій енергетичний стан. При переході з заповненої оболонки в верхній збуджений енергетичний стан, електрон поглинає квант енергії, при цьому на нижньому рівні залишається вакантне місце - дірка. Електрон може перейти з верхнього в нижній енергетичний стан, якщо там існує вакансія (дірка). При цьому виділяється квант енергії, що рівний різниці енергій між верхнім і нижнім рівнями.Якщо електрон отримає достатній квант енергії, він відірветься від атома, при цьому атом стане податньо заряджени іоном, оскільки додатній заряд ядра перестане компенсуватись від'ємним зарядом електронів. Цей додатній заряд можна зв'язати з діркою (вакансією електрона). Тоді іонізацію атома можна розглядати як результат захоплення дірки (виходу електрона). Дірками стосовно до атомів та іонів переважно не користуються. Однак, поняття дірки виявилось дуже корисним у кристалах.

Електрони в кристалі

Енергетичний спектр електронів в кристалі

В 1 см3 твердого тіла знаходиться біля 1022 - 1023 атомів. Це означає, що відстань між атомами надзвичайно мала, порядку декількох ангстрем (1А=10 -8 см.). В металах концентрація електронів, які можуть створювати струм, того ж порядку, що і кількість атомів. У власних напівпровідниках та диелектриках концентрація власних електронів є малою і досить відрізняється для різних матеріалів.

Якщо б атоми не взаємодіяли один з одним, то енергетичний спектр електронів відповідав би енергетичному спектрові атома, тільки на енергетичних рівнях замість 2, 6, 18 і т.д. знаходилося б електронів в N раз більше, де N - кількість атомів в кристалі.

Однак, оскільки атоми знаходяться на дуже малій віддалі, вони проявляють взаємний вплив, що призводить до неякого зміщення їх енергетичних рівнів один відносно другого. При цьому енергетичні рівні електронів у кристалі зміщуються відносно рівнів, які утворюють кристал ізольованих атомів та кожен з рівнів розщеплюється на N підрівнів, утворюючи енергетичну зону.

Оскільки N досить велике, то енергетичні віддалі між підрівнями зовсім малі і електрон здатен переміщуватись з підрівня на підрівень від дна зони до стелі навіть при невеликих зовнішніх енергетичних впливах, тобто він поводить себе як вільний. Це, однак, справедливо тільки в тому випадку, якщо верхні енергетичні рівні в зоні не зайняті, тобто зона заповнена не повністю. Така ситуація реалізується в металах. Рівень, що розділяє заповнену частину зони від незаполвеної називають рівнем Фермі (F). Ймовірність заповнення рівня F електронами дорівнює 1/2.

Особливість енергетичного спектру електронів у напівпровідниках та діелектриках полягає в тому, що в них усі енергетичні зони, в яких знаходяться електрони, заповнені повністю. Найближча до заповненої зони вібльна зона, в якій електрон може змінювати неперервно свою енергію (переміщуватись) дідділена від заповненої енергетичним проміжком Eg, його називають забороненою зоною, оскільки в досконалому кристалі не может бути електронів з енергіями, які відповідають забороненій зоні.

Електрон може попасти у вільну зону тольки, якщо отримає енергію Е>Eg. Найпростіше надати електронам заповненої зони таку енергію шляхом опромінення матеріалу светлом з енергією квантів, що більша Eg.

Заповнену зону прийнято називати валентною, оскільки енергетичні стани цієї зони, як правило, відповідають валентним електронам. Найближчу до валентної зони вільну зону називають зоною провідності, оскільки електрони, що попали туди, можуть переміщуватися між атомами і створювати електричний струм.

Електрони та дірки в кристалі

Якщо валентному електронові надати енергію, яка більша за ширину забороненої зони (припустими кристал освітили квантами з енергією, що більша Eg), тоді електрон відірветься від атома і зможе переміщуватися всередині кристалу, створюючи електричний струм. При цьому йому буде відповідати енергетичний стан, який знаходиться в зоні провідності.

В тому місці, звідки пішов електрон залишилась його вакансія - дірка. При цьому, оскільки вихід електрона порушив електронейтральність, в області дірки знаходиться локальний додатній заряд. Цій додатньно зарядженій дірці в енергетичному просторі (на енергетичній діаграмі) відповідає вільний енергетичний стан, що утворився в валентній зоні після виходу електрона (біля стелі валентної зони). В електронів валентної зони з'явилась можливість зайняти цей стан, при цьому по мірі того, як валентні електрони займають вакантний стан, що відповідає дірці, сама дірка в енергетичній зоні переміщується від стелі валентної зони до її дна.

У координатному просторі розглянутому процесові відповідає перехід на місце дірки електрона із сусіднього валентного зв'язку (при цьому дірка виявляється в іншому місці). Переміщення додатньо зарядженої дірки супроводжується виникненням струму. Таким чином, у кристалі поряд з електронами в перенесенні заряду можуть брати участь додатньо заряджені дірки (див. рисунок). Напям дрейфу дірки в електричному полі протилежний напрямкові дрейфу електрона.

Необхідно відмітити, що в бездомішковому та недефектному кристалі напівпровідника (його називають власним) концентрація електронів дорівнює концентрації дірок, оскільки кількість електронів, що вийшли в зону провідності, дорівнює відповідній кількості дірок, які виникли у валентній зоні. Цю концентрацію називають власною. Оскільки на енергетичній діаграмі енергія електрона відкладується знизу вверх, енергія дірки в валентній зоні буде відкладатися в протилежному напрямку - зверху вниз. Оскільки в напівпровіднику ймовірність заповнення енергетичних рівнів у зоні провідності близька до нуля, а ймовірність заповненвя валентної зони близька до 1, то характеристчний рівень, ймовірність заповнення якого рівна 1/2 (урівень Фермі) знаходиться в заборненій зоні. Для власного напівпровідника він лежить посередині забороненої зони.

При зустрічі електрона з діркою відбувається їх рекомбінація, тобто електрон заповнює вакансію, створюючи валентний зв'язок. При цьому виділяється енергія, яка рівна енергії, що затрачена на утворення електрона і дірки(Eg).

Використана література:

  1. Основы промышленной электроники/ Под ред. В.Г. Герасимова. -М.: Высшая школа, 1978.

  2. Изъюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной электроники. -М.: Высшая школа, 1975.

  3. Миклашевский С.П. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1973.

  4. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1988.

  5. Основы промышленной электроники/Под ред. В.Г. Герасимова. - М.: высшая школа, 1982.

  6. Гершунский В.С. Основы электроники. - К.: Вища школа, головн. из-во, 1982.

  7. Жеребцов И.П. Основы электроники. - Л.:Энергоатомиздат, 1985.

Нагорский В.Д. Электроника и электрооборудование. - М.: Высшая школа, 1986.

Loading...

 
 

Цікаве