Реферат - Напівпровідники - скачати безкоштовно
Химия

Реферат — Напівпровідники — скачати безкоштовно


Завантажити реферат: Напівпровідники

Історичні відомості

Напівпровідники як особливий клас речовин, були відомі ще з кінця XIX століття, лише розвиток теорії твердого тіла дозволило зрозуміти їхню особливість задовго до цього були виявлені:

1. ефект випрямлення струму на контакті метал-напівпровідник фотопровідність.

Були збудовані перші прилади на їх основі.

О. В. Лосєв (1923) довів можливість використання контактів напівпровідник-метал для посилення та генерації коливань (кристалічний детектор). Однак у наступні роки кристалічні детектори були витіснені електронними лампами і лише на початку 50-х років з відкриттям транзисторів (США 1949) почалося широке застосування напівпровідників (головним чином германію і кремнію в радіоелектроніці. Одночасно почалося інтенсивне вивчення властивостей напівпровідників, чому сприяло досконалостей очищення кристалів та їх легування (введення до напівпровідника певних домішок).

У СРСР вивчення напівпровідників почалися наприкінці 20-х років під керівництвом А.Ф. Іоффе у Фізико-технічному інституті АН СРСР.

Інтерес до оптичних властивостей напівпровідників зріс у зв’язку з відкриттям вимушеного випромінювання в напівпровідниках, що призвело до створення напівпровідникових лазерів спочатку на p — n — переході, та був на гетеропереходах.

Останнім часом більшого поширення набули прилади, засновані на дії напівпровідників. Ці речовини стали вивчати порівняно недавно, проте без них не може обійтися ні сучасна електроніка, ні медицина, ні багато інших наук.

Властивості напівпровідників

Напівпровідники — широкий клас речовин, що характеризується значеннями питомої електропровідності d, що лежить в діапазоні між питомою електропровідністю металів та хороших діелектриків, тобто ці речовини не можуть бути віднесені як до діелектриків (оскільки не є добрими ізоляторами), так і до металів (не є добрими провідниками електричного струму). До напівпровідників, наприклад, відносять такі речовини як германій, кремній, селен, телур, а також деякі оксиди, сульфіди та сплави металів.

Напівпровідники довгий час не привертали особливу увагу вчених та інженерів. Одним із перших почав систематичні дослідження фізичних властивостей напівпровідників видатний радянський фізик Абрам Федорович Іоффе. Він з’ясував, що напівпровідники — особливий клас кристалів з багатьма чудовими властивостями:

1) З підвищенням температури питомий опір напівпровідників зменшується, на відміну від металів, у яких питомий опір із підвищенням температури збільшується. Причому зазвичай у широкому інтервалі температур зростання це відбувається експоненційно:

d = dо ∙ exp. (-ea / kT)

де eа — так звана енергія активації провідності,

dо — коефіцієнт залежить від температури

Питомий опір напівпровідникових кристалів може зменшуватися при впливі світла або сильних електронних полів.

2) Властивість односторонньої провідності контакту двох напівпровідників. Саме ця властивість використовується при створенні різноманітних напівпровідникових приладів: діодів, транзисторів, тиристорів та ін.

3) Контакти різних напівпровідників у певних умовах при освітленні чи нагріванні є джерелами фото-е. д. с. або, відповідно, термо-е. д. с.

Будова напівпровідників та принцип їх дії.

Як було сказано, напівпровідники є особливий клас кристалів. Валентні електрони утворюють правильні ковалентні зв’язки, схематично представлені на рис.1. Такий ідеальний напівпровідник зовсім не проводить електричного струму (за відсутності освітлення та радіаційного опромінення).

Так само як і в непровідниках електрони в напівпровідниках пов’язані з атомами, однак цей зв’язок дуже неміцний. При підвищенні температури

( T>0 K) ,освітлення або опромінення електронні зв’язки можуть розриватися, що призведе до відриву електрона від атома (рис. 2). Такий електрон є носієм струму. Чим вище температура напівпровідника, тим вище концентрація електронів провідності, отже, тим менший питомий опір. Таким чином, зменшення опору напівпровідників при нагріванні обумовлено збільшенням концентрації носіїв струму в ньому.

На відміну від провідників носіями струму в напівпровідникових речовинах можуть бути не тільки електрони, а й «дірки». При втраті електрона одним з атомів напівпровідника на його орбіті залишається порожнє місце-«дірка» при впливі електричного поля на кристал «дірка» як позитивний заряд переміщається у бік вектора E, що фактично відбувається завдяки розриву одних зв’язків та відновлення інших. «Дірку» умовно вважатимуться часткою , що несе позитивний заряд.

Домішна провідність.

Один і той же напівпровідник має або електронну, або дірочну провідність — це залежить від хімічного складу введених домішок. Домішки надають сильний вплив на електропровідність напівпровідників: так, наприклад, тисячні частки відсотків домішок можуть у сотні тисяч разів зменшити їх опір. Цей факт, з одного боку, вказує на можливість зміни властивостей напівпровідників, з іншого боку, він свідчить про труднощі технології при виготовленні напівпровідникових матеріалів із заданими характеристиками.

Розглядаючи механізм впливу домішок на електропровідність напівпровідників, слід розглядати два випадки:

Електронна провідність

Добавка в германій домішок, багатих електронами, наприклад миш’яку або сурми, дозволяє отримати напівпровідник з електронною провідністю або напівпровідник n-типу (від латинського слова «негативус» — «негативний»).

На рис. 3а схематично показана картина електронних зв’язків при 0 К. Один з валентних електронів миш’яку не бере участі у зв’язках з іншими атомами. При підвищенні температури електрон може бути відірваний від атома (див. рис. 3б) і цим створює електронну провідність.

Домішки, що створюють таку електропровідність, називають донорнями.

Діркова провідність

Добавка до того ж германій алюмінію, галію або індія створює в кристалі надлишок дірок. Тоді напівпровідник буде мати діркову провідність — напівпровідник p — типу.

Діркова домішкова електропровідність зіздеться атомами, що мають меншу кількість валентних електронів, ніж основні атоми. На рис. 4 схематично показані електронні зв’язки германію з домішкою бору. При 0 До всі зв’язки укомплектовані, тільки у бору не вистачає одного зв’язку (див. рис. 4а). Однак при підвищенні температури бор може наситити свої зв’язки за рахунок електронів сусідніх атомів (рис. 4б).

Подібні домішки називаються акцепторними.

Рідкі напівпровідники

Плавлення багатьох кристалічних напівпровідників супроводжується різким збільшенням їхньої електропровідності Q до значень типових для металів (див рис. 5а). Однак для ряду напівпровідників (наприклад HgSe, HgTe тощо) характерно збереження або зменшення Q при плавленні і збереження напівпровідниками характеру температурної залежності Q (див рис. 5б). Деякі Рідкі напівпровідники при подальшому підвищенні температури втрачають напівпровідникові властивості та набувають металевих (наприклад сплави Te — Se, ботатие Te). Сплави ж Te — Se, багаті Se поводяться інакше, їхня електропровідність має суто напівпровідниковий характер.

У рідких напівпровідниках роль забороненої зони відіграє область енергії поблизу мінімуму щільності станів в енергетичному спектрі електронів.

При досить глибокому мінімумі у його околиці з’являється зона майже локалізованих станів носіїв зарядів із малою рухливістю (псевдощель). Якщо при підвищенні температури відбувається «схлопування» псевдощілин, рідкий напівпровідник перетворюється на метал.

Використання напівпровідників

Найбільш важливі для техніки напівпровідникові прилади — діоди, транзистори, тиристори, засновані на використанні чудових матеріалів з електронною або дірковою провідністю.

Широке застосування напівпровідників почалося порівняно недавно, а зараз вони набули дуже широкого застосування. Вони перетворюють світову та теплову енергію в електричну і, навпаки, за допомогою електрики створюють тепло та холод. Напівпровідникові прилади можна зустріти в звичайному радіоприймачі і в квантовому генераторі — лазері, в крихітній атомній батареї та мікропроцесорах.

Інженери не можуть обходитися без напівпровдникових випрямлячів, перемикачів та підсилювачів. Заміна лампової напівпровідникової апаратури дозволила в десятки разів зменшити габарити і масу електронних пристроїв, знизити споживану ними потужність і різко збільшити надійність.

© Реферат плюс



Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *