Излуч.Рекомбинация.

Механизм излучательной рекомбинации доминирует в прямозонных полупроводниках. Самый яркий пример использования излучательной рекомбинации в полупроводниковых устройствах - свет, производимый светодиодами. Межзонная рекомбинация также доминируют в солнечных элементах, концентрирующих излучение, и в космических солнечных элементах, которые делают из прямозонных материалов (GaAs). Однако, большинство земных солнечных элементов сделаны из кремния, который является непрямозонным полупроводником и поэтому межзонная рекомбинация в кремнии незначительна и ей обычно пренебрегают. Основными характеристиками межзонной рекомбинации являются:

• Электрон непосредственно объединяется в дыркой в валентной зоне с излучением фотона

• Энергия возникшего таким образом фотона равна энергии запрещенной зоны, поэтому эти фотоны поглощаются относительно слабо и могут покинуть полупроводник.

Билет 4) Кремний и германий, кристаллическое строение, основные физико-химические свойства.

Германий (Ge) — серовато-белый металл, встречается в природе в виде соединений. Распространенность его в земной коре 7 — 10-4%, температура плавления 958° С. Существование германия предсказал еще в 1871 г. великий русский ученый Д. И. Менделеев. Он назвал его экасилицием, т. е. элементом, следующим в периодической системе после силиция (кремния). Открыт и назван германием этот элемент в 1886 г. Кремний (Si) — неметалл, встречается в природе в виде кварца и солей кремниевых и алюмокремниевых кислот. Распространенность его в земной коре 27,6%, температура плавления 1415° С. Германий и кремний — атомарные полупроводники, т. е. химические элементы, обладающие полупроводниковыми свойствами. Как известно, атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и электронов, расположенных вокруг ядра в виде системы оболочек с постепенно возрастающими радиусами. Размер ядра около 10~12 см, а электрона около 10-13 см. Протяженность электронных оболочек атома 10~8 см. Атом германия содержит 32 электрона, а атом кремния — 14. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева германий и кремний находятся в четвертой группе. Это означает, что только четыре электрона их атомов валентные и участвуют в химических реакциях и процессах электропроводности. Остальные 28 электронов атома германия и соответственно 10 электронов атома кремния, называемые внутренними, прочно связаны со своими ядрами. Германий и кремний — кристаллические твердые тела, т. е. атомы их расположены в определенном, периодически повторяющемся порядке и образуют кристаллическую решетку. Изображение это схематическое: все атомы для наглядности показаны в одной плоскости, В действительности каждый атом окружен и связан с четырьмя ближайшими соседними атомами, расположенными с разных сторон на одинаковых расстояниях от данного атома. Эти связи образуются вследствие того, что в твердых телах расстояния между соседними атомами очень малы (в германии около 2,4 • 10~8 см) и соизмеримы с протяженностью их электронных оболочек. Поэтому электронные оболочки атомов соприкасаются и даже перекрываются. В результате валентные электроны движутся не только вокруг ядра своего атома, но и вокруг ядер соседних атомов. Связь одноименных атомов при помощи двух электронов называется двухэлектронной или ковалентной. Теоретически доказано, что двухэлектронная связь наиболее устойчивая: удаление одного электрона уменьшает силу связи, а добавление лишних электронов практически ее не усиливает. Места кристаллической решетки, в которых располагаются атомы, называются узлами. Кристалл, не имеющий пустых узлов и посторонних атомов, принято считать идеальным.

Билет 5) Донорные и акцепторные примеси в полупроводниках. Твердые растворы замещения.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается. Донор в физике твёрдого тела (см. также полупроводники) — примесь в кристаллической решётке, которая отдаёт кристаллу электрон. Вводится при ковалентном типе связи. Бываютоднозарядные и многозарядные доноры. Например, в кристаллах элементов IV группы периодической системы элементов (кремнии, германии) однозарядными донорами являются элементы V группы: фосфор, мышьяк, сурьма. Так как элементы пятой группы обладают валентностью 5, то четыре электрона образуют химическую связь с четырьмя соседними атомами кремния в решётке, а пятый электрон оказывается слабо связанным (энергия связи порядка нескольких сотых электрон-вольта) и образует так называемый водородоподобный примесный центр, энергию которого просто оценить из решения уравнения Шрёдингера для атома водорода, принимая во внимание, что электрон в кристалле — квазичастица и егоэффективная масса отличается от массы электрона, а также, что электрон движется не в вакууме, а в среде с некой (порядка 10) диэлектрической проницаемостью.

Схематическое изображение кремнияс донорной примесью фосфора

Атомы донорных примесей, которые вводятся в полупроводник и отдают ему один или несколько электронов, создают избыток электронов и формируют так называемый полупроводник n-типа. Атом донора удерживает лишний электрон слабо, и при достаточной температуре этот электрон может перейти в зону проводимости и участвовать в электропроводности кристалла.

Акце́птор — в физике твёрдого тела (см. также полупроводники) примесь в кристаллической решётке, которая придаёт кристаллу дырочный тип проводимости при которой носителями заряда являются дырки. Термин имеет смысл при ковалентном типе связей в кристалле.

Схематическое изображение кремния с акцепторной примесью бора

Акцепторы бывают однозарядными и многозарядными. Например, в кристаллах элементов IV группы периодической системы элементов(кремния, германия) элементы III группы (бор, алюминий, индий, галлий) являются однозарядными акцепторами. Поскольку элементы третьей группы имеют валентность 3, то три электрона его внешней электронной оболочки образуют химическую связь с тремя соседними атомами, например, кремния в кубической решётке, а электрона для образования четвёртой связи недостает. Однако при ненулевой температуре с определённой вероятностью четвёртая связь образуется за счет захвата недостающего 4-го электрона у атома кремния. При этом лишенный 4-го электрона атом кремния приобретает положительный заряд (вакансия). Энергия захваченного акцептором электрона на несколько мэВ выше энергии потолка валентной зоны. Из-за теплового движения электронов вакансия может быть заполнена электроном, отнятым у соседнего атома кремния, при этом тот приобретёт положительный заряд - вакансия переместится на этот атом кремния. Поэтому, можно считать, что носителями заряда являются перемещаемые положительно заряженные вакансии. При приложении электрического поля вакансии начнут упорядоченно двигаться к катоду. Естественно, истинными носителями заряда по-прежнему являются электроны, но для описания процессов и развития теории полупроводников удобно принять, что в валентной зоне кристалла образуется так называемая дырка с положительным зарядом, которая может свободно двигаться по кристаллу, и, таким образом, участвовать в электропроводности кристалла.

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).

Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.