Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов

Зонная структура в металлах, полупроводниках

Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов

Лекция 17

Зонная теория твёрдых тел

Рассматривая квантовую теорию электропроводности металлов не учитывалось, что положительные ионы кристаллической решётки создают в металле электрическое поле и как вообще появляются электроны проводимости, которые в кристаллах металлов есть, а в кристаллах диэлектриков отсутствуют.

В зонной теории твёрдое кристаллическое тело рассматривается как строго периодическая структура, в которой ионы создают электрическое поле. Точное решение уравнения Шрёдингера для такой системы множества частиц невозможно, поэтому используют различные упрощающиеприближения.

Модель Кронига–Пенниучитывает движение только внешних электронов в поле периодически расположенных ионных остовов, содержащих ядро атома и электроны внутренних подоболочек.

В этом случае удобнее использовать уравнение Шрёдингера для электрона, движущегося в более слабом поле с потенциалом периодически расположенных ионных остовов.

Однако такой подход позволяет решать только одномерные задачи движения электронов.

Существуют ещё два метода решения задачи, которые приводят практически к одинаковым результатам.

Приближение сильной связипредполагает, что имеется совокупность большого числа изолированных атомов, у каждого из которых электроны имеют свою систему дискретных энергетических уровней. Связь электронов со своими атомами так сильна, что лишь валентные электроны при сближении атомов на расстояния, сравнимые с размерами атомов, переходят от одного атома к другому.

Приближение слабой связиполагает, что энергия взаимодействия электронов с решёткой много меньше их кинетической энергии (например, в металлах).

В этом случае считают, что электроны в кристалле движутся внутри потенциальной ямы, размером с кристалл.

Это позволяет пользоваться уравнением Шрёдингера для свободных электронов (модель электронного ферми–газа) внутри трёхмерной потенциальной ямы кубической формы, учитывая, однако, что электроны движутся в периодическом поле кристаллической решётки.

Как в модели сильной связи, так и в модели слабой связи (модели почти свободных электронов) на шкале энергии электронов имеются участки разрешённых и запрещённых значений энергии, причём число электронных состояний в каждой разрешённой энергетической зоне кратно удвоенному числу атомов кристалла.

Энергетические зоны в кристаллах в приближении

Сильной связи

В изолированном атоме имеются дискретные энергетические уровни энергии En,l . Считается, что они зависят от главного п и орбитального l квантовых чисел.

В то же время энергетические уровни вырождены по квантовым числам т и тS, т.е. уровни, соответствующие различным значениям магнитного и спинового квантовых чисел, совпадают.

Энергетические уровни электронов в атомах, находящихся в возбуждённых состояниях, имеют конечную ширину ∆En,l , связанную с соотношением неопределённости

∆En,l .τп

Время жизни атома в возбуждённом состоянии с, и тогда эВ. Расстояние между уровнями ~ 1 эВ .

В газе соседние атомы Аи В удалены друг от друга на расстояние L>>d (d – диаметр атома).

Потенциаль– ный барьер для валентных электронов а и b в соседних атомах слишком широк, так, что вероятность просачивания электронов сквозь него практически равна нулю.

Поэтому все вещества в газообразном состоянии ведут себя как диэлектрические среды до тех пор, пока внешние воздействия не вызовут их ионизацию.

В кристаллах расстояние между атомами столь мало ( L~ d~ 10-10 м), что происходи перекрытие их электрических полей.

Потенции– альные кривые, разграничивающие соседние атомы, частично наклады– ваются друг на друга и дают потенциальные кривые для электронов типа а и b.

Происхо– дит понижение и сужение потенци– ального барьера для валентных электронов атомов. За счёт туннельного эффекта электрон «уходит» от своего атома и переходит к соседнему.

Для упрощения вычислений можно считать, что потенциальный барьер прямоугольный. Тогда прозрачность барьера

.

Для электрона в атоме толщина потенциального барьера d~ 10-10 м. Тогда при эВ (10-18 Дж) получаем D 0,05.

Число ударов электрона о стенки барьера за единицу времени

, где

υ ~ 106 м/с – скорость движения электрона в атоме;

a ~ 10-10 м – ширина потенциальной «ямы», в которой находится

электрон.

Время жизни валентного электрона в атоме есть величина, обратная частоте:

.

Т.о. τв этом случае на семь порядков меньше времени жизни валентного электрона в возбуждённом состоянии изолированного атома. При таких значениях τ не имеет смысла говорить о принадлежности валентных электронов к определённым атомам. Они становятся «обобществлёнными» и образуют квантовый электронный газ. Эти электроны могут перемещаться по всему кристаллу.

Из соотношения неопределённостей получаем оценку ширины энергетического уровня валентного электрона в кристалле

2 эВ.

Узкий энергетический уровень валентного электрона в изолированном атоме расширяется в кристалле в широкую полосу – зону разрешённых значений энергии электронов шириной порядка единиц электрон–вольт.

Разрешённые энергетические зоны 1 отделены друг от друга зонами 2 запрещённых значений энергии электронов.

Разрешённая зона тем шире, чем больше энергия En,l электрона на соответствующем уровне в изолированном атоме.

Возможные значения энергий электронов в пределах разрешённой энергетической зоны квантованы, а общее число их конечно.

В кристалле, состоящем из N атомов, уровню энергии En,l изолированного атома соответствует зона, состоящая из (2l+1)N дискретных уровней, на каждом из которых может находится не более двух электронов с антипараллельными спинами.

Для электронов внутренних оболочек атомов уменьшается прозрачность потенциального барьера и вероятность туннельного перехода электрона от одного атома к другому оказывается очень малой.

Например, для электрона атома натрия в основном состоянии 1Sсреднее время жизни 1020 лет.

Следовательно, электроны внутренних оболочек атомов в кристаллах прочно связаны со «своими» атомами и имеют энергетические уровни такие же узкие, как и в отдельном атоме.

Зонная структура в металлах, полупроводниках

И диэлектриках

Существование энергетических зон позволяет объяснить с единой точки зрения существование металлов, полупроводников и диэлектриков.

Разрешённую зону, полностью заполненную электронами и возникшую из того уровня, на котором находятся валентные электроны в основном состоянии атома, называют валентной зоной.

Зона, заполненная электронами частично или пустая (при Т = 0 К), называется зоной проводимости.

Металлы.

а) Если самая верхняя зона, содержащая электроны, заполне– на лишь частично, то энергии теплового движения электронов (kT ~ 10-4 эВ) достаточно, чтобы электроны перешли на свободные уровни в этой зоне (стали свободными), обеспечивая про– водимость металлов.

б) Если валентная зона перекрывается свободной зоной, то образуется гибридная зона, которая заполнена валентными электронами лишь частично, что также обеспечивает проводимость металлического типа (например, у щелочно–земельных металлов).

Полупроводники.

Если уровни валентной зоны полностью заняты электронами, то для того чтобы электрон попал в зону проводимости ему необходимо сообщить энергию, не меньшую, чем ширина запрещённой зоны ∆Е.

Если ∆Е невелика (порядка нескольких десятых долей эВ) то энергия теплового движения оказывается достаточной для того, чтобы перевести часть электронов в верхнюю свободную зону проводимости.

Эти электроны будут находиться в условиях, аналогичных тем, в которых находятся валентные электроны в металле. Одновременно станет возможным переход электронов валентной зоны на её освободившиеся верхние уровни.

Такие вещества называются собственными полупроводниками.

Диэлектрики.

Если ширина запрещённой зоны ∆Е велика (условно более 2 эВ) то в этом случае кристалл называется диэлетриком.

В твёрдых диэлектриках электроны могут перемещаться по кристаллу с тепловыми скоростями. Однако это движение хаотично и не создаёт направленного электронного «дрейфа» электрического тока. Тепловое движение в этом случае не может забросить в свободную зону заметное число электронов.

Современное представление о строении диэлектриков совершенно отличается от представлений о связанных зарядах, лежащих в основе классической теории диэлектриков.

Электроны в кристаллах диэлектриков следует считать в некотором смысле более свободными, чем в металлах так как внешнее электрическое поле не может заставить их двигаться в определённом направлении и создать электрический ток.

Лекция 18

Дата добавления: 2015-10-27; просмотров: 970 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Источник: https://lektsii.org/3-31324.html

Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов

Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов

В отношении зонной теории различие электрических свойств проводников, диэлектриков и полупроводников определено двумя причинами:

  1. Характером расположения энергетических зон, вернее шириной запрещенной зоны.
  2. Разницей в заполнении электронами разрешенных энергетических зон.

Необходимым условием того, что твердое тело может проводить электрический ток является то, что у вещества существуют свободные энергетические уровни, на которые поле может перевести электроны. Под воздействием обычных источников тока электроны могут совершать переходы только внутри зоны.

Зонная структура диэлектриков

Валентная зона, которая объединяет внешние электроны атомов или ионов заполнена полностью, высокие зоны не имеют электронов (рис.1), перекрытия зон нет. Подобное вещество является диэлектриком, который ток не проводит.

Рисунок 1.

Например, кристаллическая поваренная соль (NaCl). Ее молекулы имеют ионную химическую связь. В молекуле соли внешний электрон атома натрия переходит на внешнюю оболочку атома хлора. Возникают ионы: ${Na}+\ и\ {Cl}-$. Внешние оболочки полностью заполнены электронами. При образовании соли появляется валентная зона иона хлора.

Она полностью заполнена электронами. Выше нее на 6эВ находится зона энергетических состояний иона натрия, которая не имеет электронов (рис.2). Электрическое поле источника не может перевести электроны из полностью заполненной зоны иона хлора в свободную зону проводимости иона натрия.

Так, кристалл поваренной соли является диэлектриком.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Рисунок 2.

Зонная структура полупроводников

В том случае, если полностью занятая электронами зона разделена с ближайшей разрешенной зоной узкой запрещенной зоной, то такое вещество является диэлектриком только при температурах вблизи абсолютного нуля.

При повышении температуры электроны, которые локализованы около верхней границы занятой зоны, могут перейти в верхнюю вакантную зону. Это требует затраты энергии, которая не меньше, чем ширина запрещенной зоны ($\triangle E_0$). (В данном случае между полупроводниками и диэлектриками разница только в ширине запрещенной зоны.

) На рис. 3 изображено расположение энергетических зон полупроводника и диэлектрика. $\triangle E_0$ — энергия равная энергии активации собственной проводимости. Переход электронов в верхнюю зону ведет к возникновению собственной проводимости полупроводников.

С ростом температуры у чистых полупроводников увеличивается количество электронов, которые перешли в свободную зону, соответственно, уменьшается сопротивление полупроводника.

Переход электронов в свободную зону образует в заполненной зоне вакантные места. В так образуются дырки. При воздействии поля или нагревании на места дырок могут переходить другие электроны.

Рисунок 3.

Зонная структура металлов

Определим условия проводимости металлов. Целиком заполненные электронами зоны нас не интересуют, так как в них не могут совершаться внутризонные переходы под воздействием внешнего электрического поля. Валентные электроны атомов, объединяясь, образуют валентную зону, которая заполняется электронами наполовину. Эта зона — зона проводимости.

При воздействии внешнего поля электроны, базирующиеся в зоне проводимости, получат энергию и перейдут на верхние свободные энергоуровни и будут упорядоченно двигаться. Значит, если валентная зона занята не целиком, то мы имеем дело с проводником. Так заполняются валентные зоны в металлах первой группы системы Менделеева (Li, Na, K, Rb, Cs) (рис.4).

Рисунок 4.

Вещество может являться проводником, если зона проводимости перекрывается с зоной, которая появляется за счет расщепления уровня валентных электронов. (Вторая группа периодической системы: Be, Cd, Mg, …). Здесь возникает широкая «гибридная» зона. Эту зону электроны заполняют частично.

Рисунок 5.

Пример 1

Задание: Опишите, процесс электропроводности в металлическом натрии.

Решение:

Порядковый номер натрия (Na) в периодической системе Д.И. Менделеева Z=11. Следовательно, общее число электронов в атоме равно 11.

Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням должно происходить, удовлетворяя принцип минимума потенциальной энергии.

То есть каждый следующий электрон занимает место с возможной наименьшей энергией. Заполнение энергетических уровней происходит по принципу Паули.

Так у натрия полностью заполнены: K- слой, содержащий 2 электрона, L- слой, имеющий 8 электронов, одиннадцатый электрон натрия расположен в M — слое, при этом занимает низшее состояние (3s). В соответствии с принципом Паули одиннадцатый электрон атома натрия наполовину заполняет верхний энергетический уровень атома.

В кристалле натрия первым двум оболочкам соответствуют полностью заполненные зоны. В этих зонах переходы электронов невозможны под воздействием внешнего электрического поля. Валентные электроны натрия при образовании кристалла порождают валентную зону. Она заполняется на половину и, соответственно является зоной проводимости. Электроны данной зоны могут принимать участие в проводимости.

У натрия мы имеем не полностью заполненную валентную зону — это проводник.

Пример 2

Задание: Объясните с точки зрения зонной теории, почему электропроводность металлов не растет при увеличении их валентности?

Решение:

Электропроводность металла зависит не от количества валентных электронов на один атом, а числа электронов, для которых в валентной зоне существует достаточно свободных энергетических состояний.

Так, например, для двухвалентных щелочноземельных металлов валентные электроны атомов находятся на энергоуровнях гибридной зоны так, что некоторое количество верхних уровней этой зоны свободно и может быть заполнено.

Но количество электронов, которые могут перейти благодаря энергии внешнего источника в свободные состояния, меньше, чем у одновалентных металлов. Следовательно, электропроводность двухвалентных металлов меньше, чем одновалентных.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/osobennosti_zonnoy_struktury_dielektrikov_poluprovodnikov_i_metallov/

Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории

Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов

Зонная теория позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заселением электронами разрешенных зон, и во-вторых, шириной запрещенных зон.

Рассматривая заполнение электронами разрешенных зон необходимо использовать два правила: 1) Электроны стремятся занять самые низкие энергетические уровни. 2) Принцип Паули: на одном энергетическом уровне не может быть более двух электронов. Эти электроны должны иметь разные спины.

Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующего атомного уровня. Если уровень атома полностью заполнен, то и зона полностью заполнена. Из незанятых уровней образуются свободные зоны, из частично заполненных – частично заполненные зоны.

В общем случае можно говорить о валентной зоне, которая полностью заполнена и образовалась из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов и о зоне проводимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних коллективизированных электронов изолированных атомов (рис.2).

Самая верхняя зона целиком занятая электронами (при Т=0 К) называется валентной. Зона, заполненная электронами частично (при Т = 0 К), называется зоной проводимости. Определим изменение энергии электрона, находящегося на некотором уровне в разрешенной зоне, под действием внешнего поля с напряженностью . Энергия приобретаемая электроном на длине свободного пробега , где — средняя длина свободного пробега электрона в кристалле равная примерно 10-8м в электрическом поле с напряженностью В/м, которая соответствует обычным источникам тока, эВ.
Рис.2.

Это означает, что возможны только внутризонные переходы, так как междузонные переходы имеют много большую энергию.

Необходимым условием электрической проводимости является наличие в разрешенной зоне свободных энергетических уровней на которые электрическое поле сторонних сил могло бы перевести электроны.

В зависимости от степени заполнения зон электронами и ширины запрещенной зоны возможны три случая, изображенных на рис.3.

(а) (б) (в)
Рис.3

3а). Зона проводимости заполнена лишь частично., то есть в ней имеются вакантные уровни.

В этом случае электроны, получив сколь угодно малую энергетическую добавку ( от поля или теплового движения) переходят на более высокий энергетический уровень той же зоны, то есть они участвуют в проводимости.

Такой переход возможен, так как 1 К = 10-4 эВ, что много больше расстояния между уровнями равному 10-22 эВ. Таким образом, если в твердом теле имеется зона, лишь частично заполненная электронами, то это тело всегда будет проводником электрического тока. Именно это свойственно металлам.

3б). Возможно также такое перераспределение электронов между зонами, возникающими из уровней различных атомов, которое привело к тому, что вместо двух частично заполненных зон кристалла окажется одна целиком заполненная (валентная) зона и одна свободная зона (зона проводимости).

Твердые тела, у которых энергетический спектр электронных состояний состоит только из валентной зоны и зоны проводимости, являются диэлектриками или полупроводниками в зависимости от ширины запрещенной зоны.

Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких электрон –вольт, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком, оставаясь им при всех реальных температурах.

3в). Если запрещенная зона достаточно узка ( эВ), то переход электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию , и кристалл является полупроводником.

Различие между металлами и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют.

Различие же между диэлектриками и полупроводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка (например для NaCl =6 эВ), а для полупроводников достаточно узка (для германия =0,72 эВ).

При температурах близких к 0 К полупроводники ведут себя как диэлектрики, то есть переброс электронов в зону проводимости не происходит.

Сущность зонной теории проводимости заключается в следующем:

1). При объединении атомов в кристалл твердого тела возникают энергетические зоны.

2). Ширина запрещенных зон и характер заполнения электронами разрешенных зон обуславливают электрические свойства твердого тела – оно может быть или металлом, или полупроводником, или диэлектриком.

Лекция 16
Электропроводность полупроводников. Термоэлектрические явления.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/3_100187_metalli-dielektriki-i-poluprovodniki-po-zonnoy-teorii.html

Химический элемент для полупроводников — слово из 5 букв

Основными структурными дефектами в монокристаллах и эпитаксиальных слоях полупроводниковые материалы являются дислокации, собственные точечные дефекты и их скопления, дефекты упаковки. При выращивании монокристаллов дислокации возникают под действием термических напряжений, обусловленных неоднородным распределением температуры в объёме слитка.

Другими источниками дислокаций в монокристаллах являются дислокации, прорастающие из затравки, примесные неоднородности, отклонения от стехиометрического состава. Часто дислокации образуют в кристаллах устойчивые скопления — малоугловые границы.

Основными способами снижения плотности дислокаций в монокристаллах являются: уменьшение уровня термических напряжений путём подбора соответствующих тепловых условий выращивания, обеспечение равномерного распределения состава в объёме, строгий контроль стехиометрического состава, введение «упрочняющих» примесей, затрудняющих движение дислокаций и их размножение.

В настоящее время даже в промышленных условиях выращивают бездислокационные монокристаллы Si диаметром до 250 мм. Успешно решается задача получения бездислокационных монокристаллов Ge, GaAs, InSb и др. полупроводниковых материалов.

Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ.

Металлы и полуметаллы – это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения.

Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs – 1, 5 эВ. GaN, материал для оптоэлектронных приборов в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3, 5 эВ.

Аналогичным образом работают npn транзисторы. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой n-p-n обладают прямой проводимостью. Обратную проводимость имеют транзисторы p-n-p типа.

Важнейшими собственными точечными дефектами в Ge и Si являются вакансии и междоузельные атомы, а также различного рода комплексы, образующиеся в результате взаимодействия этих дефектов между собой или с атомами остаточных и легирующих примесей.

В бинарных соединениях точечными дефектами могут быть вакансии в любой из подрешёток, междоузельные атомы обоих компонентов, которые могут находиться в решётке в различных положениях, атомы компонента В на местах атомов А и наоборот.

Как и в элементарных полупроводниковых материалах, эти «простые» собственные точечные дефекты могут взаимодействовать между собой и с примесями с образованием разнообразных комплексов. Ещё более сложной выглядит картина образования дефектов в многокомпонентных соединениях и твёрдых расплавах.

Собственные точечные дефекты образуются при нагреве, облучении частицами высоких энергий, пластичных деформациях; существенную роль играет отклонение состава от стехиометрического. Наиболее эффективными способами снижения концентрации собственных точечных дефектов в полупроводниковых материалах является термообработка в различных средах. В случае химических соединений термообработку обычно проводят в атмосфере паров недостающего компонента, выбирая рабочие температуры с учётом конфигурации области гомогенности.

Химический элемент полупроводник — 5 (пять) букв

Широко распространено получение полупроводниковых материалов в виде монокристаллических плёнок на разного рода монокристаллических подложках. Такие плёнки называют эпитаксиальными, а процессы их получения — эпитаксиальным наращиванием.

Если эпитаксиальная плёнка наращивается на подложку того же вещества, то получаемые структуры называют гомоэпитаксиальными; при наращивании на подложку из другого материала — гетероэпитаксиальными.

Возможности получения тонких и сверхтонких однослойных и многослойных структур разнообразной геометрии с широкой вариацией состава и электрофизических свойств по толщине и поверхности наращиваемого слоя, с резкими границами р-n-переходов и гетеропереходов обусловливают широкое использование методов эпитаксиального наращивания в

В) .

Для полупроводниковых материалов дырочного типа проводимости (р-типа) аналогичная задача решается путём введения акцепторных примесей, образующих «мелкие» энергетические уровни в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны. Такие примеси при комнатной температуре практически полностью ионизованы, так что их концентрация приблизительно равна концентрации носителей заряда, которая связана с подвижностями носителей соотношениями: sn

Так как атом система нейтральная, то при отщеплении отрицательного заряда должен остаться равный по величине положительный заряд.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно – энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE

Энергетические зоны внешних полупроводников

Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость. Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R) . Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G) .

Вы можете ознакомиться и скачать презентацию на тему Фрактальная размерность проводников и полупроводников. Доклад-сообщение содержит 6 слайдов. Презентации для любого класса можно скачать бесплатно. Если материал и наш сайт презентаций Mypresentation Вам понравились – поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте в закладки в своем браузере.

Обратите внимание! Подвижность электронов выше, чем у дырок.

Согласно этой теории электроны внешних энергетических зон имеют примерно одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются они металлами или диэлектриками.

Действительно их движение осуществляется путем туннельного перехода от одного атома к другому. Современные представления о строении диэлектриков существенно отличаются от представлений о связанных зарядах, лежащих в основе классической теории.

Акцепторный полупроводник. Дырочная проводимость

Полупроводники примеры которых будут рассмотрены ниже, нашли самое широкое распространение. Группы обозначаются буквами с указанием валентности. Первый материал обозначается буквой «А», второй – буквой «В». Для упрощения буквенные символы иногда опускают, оставляя только валентное число. Далее приведен краткий перечень распространенных материалов.

Хлориды особой чистоты подвергают затем высокотемпературному восстановлению водородом, прошедшим предварительную глубокую очистку, с осаждением восстановленных продуктов на кремниевых или германиевых прутках. Из очищенных гидридов Ge и Si выделяют путём термического разложения. В результате получают Ge и Si с суммарным содержанием остаточных электрически активных примесей на уровне 10

Валентную связь можно представить себе как детей (атомы), которые обменялись игрушками (электронами) друг с другом и продолжают играют вместе.

Гарнитуры Bluetooth совместимы с большинством или всеми мобильными устройствами с поддержкой Bluetooth.

Автомобильные крепленияДругое место, где вы хотите использовать свой мобильный телефон без помощи рук, это место вашем автомобиле.

Вождение и отправка текстовых сообщений или вождение и разговор по мобильному устройству, которое вы держите в одной руке, опасно и является одной из основных причин дорожно-транспортных происшествий и смертей.

Однако бывают случаи, когда необходимо пользоваться мобильным телефоном во время вождения, например, когда вы используете приложение GPS. Для этого времени автомобильный держатель мобильного устройства является решением проблемы.

Полупроводник (электроника) 4 буквы

Я бы назвал это «чайникам» от «чайника». Человек, явно далекий от основ электроники, навыдергивал из разных источников материал, добавил своих глупостей, даже не систематизировав изложение. Током коллектора автор понижает сопротивление нагрузки, «частота усиления» зависит от приложеного напряжения! Что это вообще такое? ! Крайне не рекомендую, особенно чайникам!

Тэги: #полупроводник #букв #сканворд #сообщен #особенностя #назов #список #картинк #википеди #добавленн

Нашли неточность или устаревшие данные? Отредактируйте статью!

Источник: https://lor-k.ru/40391/

Зонная структура в металлах, полупроводниках и диэлектриках

Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов

В кристаллических телах существуют разрешённые и запрещённые энергетические зоны, в каждой из которых имеется большое число дискретных подуровней энергии, количество которых равно числу атомов в кристалле.

Для того чтобы электрон принял участие в электропроводности, у него должна появиться соответствующая скорость упорядоченного движения. Таким образом, под воздействием внешней силы электрон должен приобрести дополнительную энергию, т.е. перейти на следующий энергетический уровень. Это возможно только в том случае, если уровень энергии свободен (в соответствии с принципом запрета Паули).

Если в переделах одной разрешённой энергетической зоны существуют свободные уровни энергии, то электроны могут перейти на эти уровни даже под воздействием небольшого внешнего воздействия.

Если в пределах данной зоны свободных уровней нет, а в следующей зоне есть (по возрастанию), то электрону необходимо сообщить дополнительную энергию такой величины, чтобы он смог «перепрыгнуть» запрещённую энергетическую зону.

Распределение электронов по разрешённым энергетическим зонам и расположение этих зон на энергетической диаграмме определяет электропроводность тел.

Т.к. электроны стремятся занять состояние с наименьшей энергией, то существует зона полностью заполненная. Её принято называть валентной зоной. Следующая за ней зона, называемая зоной проводимости, может быть не заполненной или частично заполненной.

В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному. По взаимному расположению этих зон вещества делят на три большие группы

Проводники — вещества, у которых либо электроны имеются в зоне проводимости, либо валентная зона и зона проводимости перекрываются. Таким образом, электрон может свободно перемещаться между уровнями энергии, получив любую допустимо малую энергию.

К проводникам относят все металлы. Щелочные и благородные металлы имеют один валентный электрон, поэтому зона с наибольшей энергией у них будет заполнена наполовину. Такие металлы хорошо проводят электрический ток.

Щелочноземельные элементы имеют два валентных электрона, и, казалось бы, их зоны должны быть полностью заполнены, однако зоны в этих металлах перекрываются с образованием «общей» зоны «большей вместимости».

Из-за этого зона с наибольшей энергией не полностью заполнена, а сами щелочноземельные элементы оказываются проводниками.

Диэлектрики – вещества, энергетические зоны у которых не перекрываются и расстояние между ними составляет более 3,5 эВ.

Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

Четырехвалентный углерод (алмаз) имеет полностью заполненную валентную зону, отделённую от зоны проводимости запрещённой зоной порядка 5 эВ; алмаз оказывается хорошим изолятором. Ионные кристаллы, являющиеся диэлектриками, также состоят из атомов с полностью заполненными валентными зонами.

Полупроводники– это вещества, у которых зоны не перекрываются, но расстояние между ними составляет менее 10 kT при комнатной температуре.

Для того чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.

Часть электронов в результате теплового движения сможет «перебраться» из полностью заполненной зоны в зону проводимости. В таком случае в валентной зоне появятся свободные состояния (дырки), а в зоне проводимости — состояния, занятые электронами.

Четырёхвалентные кремний и германий имеют полностью заполненную валентную зону, отделённую от зоны проводимости запрещённой зоной порядка 1,2 и 0,7эВ соответственно, что составляет примерно 10kT при комнатной температуре, электроны могут в таком случае переходить из валентной зоны в зону проводимости; кремний и германий являются самыми распространёнными полупроводниками. Электропроводность германия при нагреве быстрее увеличивается, чем у кремния, поскольку ширина запрещённой зоны германия меньше, чем у кремния. Поскольку одним из основных механизмов передачи электрону энергии является тепловой, то проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры. Также, проводимость можно увеличить, создав разрешённый энергетический уровень в запрещённой зоне, путем легирования. Подобным образом создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы (преобразователи света в электричество), диоды, транзисторы, твёрдотельные лазеры и другие.

Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства металлов, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны между валентной зоной и зоной проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала.

Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации носителей заряда(отрицательного — электрона, и положительного — дырки), обратный переход — процессом рекомбинации.

Сверхпроводимость.

Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения. Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.

Явление сверхпроводимости открыл голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес в 1911 году. Применяя полученный им ранее впервые в мире жидкий гелий, он изучал зависимость электрического сопротивления металлов от температуры. Он обнаружил, что при 4,15 К электрическое сопротивление ртути практически равно нулю.

Далее были обнаружены ещё вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец, олово, таллий, уран. При этом было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем.

Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина, и поэтому можно определить температуру перехода в сверхпроводящее состояние: ТС. Эта величина называется критической температурой перехода.

Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь — от наличия примесей и внутренних напряжений.

Известные ныне температуры ТС изменяются в пределах от 0,0005К у магния (Mg) и низкотемпературных сверхпроводников (ТС ниже 77 К -температуры кипения жидкого азота), до примерно 135К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников.

В настоящее время наибольшее известное значение критической температуры — 135К у ртутьсодержащих сверхпроводников, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164К, что лишь на 19К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли.

Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества.

Магнитное поле с напряжённостью НC, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем.

При уменьшении температуры сверхпроводника величина НC возрастает. Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением:

,

где HC0 — критическое поле при нулевой температуре.

Сверхпроводимость также исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с плотностью, большей, чем критическая jC, поскольку такой ток создаёт магнитное поле, больше критического.

Источник: https://studopedia.su/9_67232_zonnaya-struktura-v-metallah-poluprovodnikah-i-dielektrikah.html

Booksm
Добавить комментарий