Тест №1 Лекция – Характеристика структуры твердых тел

1. Система, состоящая из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны называется:

1	Молекула	4	Отрицательный ион
2	Атом	5	Нет правильного ответа
3	Положительный ион	6

2. Как называется наименьшая частица вещества, которая сохраняет его свойства?

1	Молекула	4	Отрицательный ион
2	Атом	5	Нет правильного ответа
3	Положительный ион	6

3. Как называется атом потерявший электрон?

1	Молекула	4	Отрицательный ион
2	Атом	5	Нет правильного ответа
3	Положительный ион	6

4. Как называется связь между атомами за счет образования устойчивых пар валентных электронов разных атомов?

1	Ковалентная	4	металлическая
2	Донорно-акцепторная	5	молекулярная
3	Ионная	6	Нет правильного ответа

5. Как называется связь, обусловленная силами электростатического притяжения между положительными и отрицательными ионами?

1	Ковалентная	4	металлическая
2	Донорно-акцепторная	5	молекулярная
3	Ионная	6	Нет правильного ответа

1.2 Механизм электропроводности

Электрический свойства твердого тела обусловлены, в первую очередь, его структурой, степенью связи носителей заряда с атомами в кристаллической решетке. Например, высокая электропроводность металла определяется наличием в металле большого количества валентных электронов, способных свободно перемещаться в пределах кристаллической решетки под действием электрического поля.

Электропроводность твердых тел может быть обусловлена не только электронами, но и другими носителями заряда в частности ионами. Однако наиболее широко используется механизм электропроводности, в котором наряду с носителями отрицательного заряда – электронами принимают участие подвижные носители положительного заряда – дырки. Появление дырок можно пояснить следующим образом.

Пусть имеется кристалл с ковалентной связью. При температуре равной абсолютному нулю, все связи между атомами в таком кристалле заполнены, т.е. подвижные носители заряда отсутствуют (рисунок 3).

Рисунок 3 – Кристалл с ковалентной связью при температуре абсолютного нуля

Предположим, что кристаллу сообщена некоторая энергия извне (например, повышена температура), таким образом, что один из электронов смог поглотить достаточную энергию и освободиться от связи с атомом, т.е. стать подвижным носителем заряда. На месте ушедшего электрона образуется свободная (вакантная) связь, на которую может перейти электрон из соседней связи (рисунок 4).

Рисунок 4 – Образование вакантных связей

Так как такой переход не связан с большими энергетическими затратами (все валентные электроны в кристаллической решетке связаны со своими атомами примерно в одинаковой степени). «Эстафетный» характер перемещения электрона из одной связи в другую может быть заменен непрерывным перемещением носителя положительного заряда (дырки) в обратном направлении.

Недостаток отрицательного заряда в месте, откуда ушел электрон, вполне эквивалентен избытку такого же по абсолютной величине положительного заряда в этом месте, т.е. наличию дырки.

Таким образом, в некоторых кристаллах могут существовать подвижные носители двух знаков – электроны и дырки. Общий ток, проходящий через твердое тело, при этом имеет электронную и дырочную составляющие. Соотношение между указанными составляющими можно изменять, обрабатывая соответствующим образом исходный кристалл. Наиболее широко использующимся методом обработки кристалла является введение в него тех или иных примесей.

В полупроводниковой электронике чаще всего используются четырехвалентные элементы германий и кремний, образующие кристаллическую решетку с ковалентными связями. В такой решетке каждый атом оказывается, связан с четырьмя соседними при помощи восьми электронов (четыре «своих» и по одному от каждого соседнего атома). Такая связь является устойчивой и для ее разрыва требуется затратить большую энергию. При разрывах ковалентных связей в полупроводнике появляются электроны и дырки в одинаковых количествах, если кристалл однороден. Дырки и электроны совершают хаотическое (тепловое) движение в кристалле. Некоторые свободные электроны при хаотическом движении могут заполнять освободившиеся ранее связи. Тогда происходит исчезновение двух носителей заряда – электрона и дырки, их рекомбинация. Процесс возникновения новых носителей заряда носит название генерации. В среднем количество актов рекомбинации и актов генерации в единицу времени при постоянной температуре одинаковы, т.е. при данной температуре среднее количество электронов и дырок является определенным. Следовательно, кристалл в целом остается электрически нейтральным.

Если к кристаллу приложено напряжение, то в образовавшемся электрическом поле у электронов и дырок появится составляющая скорости по силовым линиям поля. Электроны будут перемещаться к положительному концу кристалла, а дырки к отрицательному. Полный ток при этом равен сумме электронной и дырочной составляющих. Электропроводность чистого (собственного) полупроводника носит название собственной электропроводности.

Если в рассматриваемый кристалл с ковалентными связями внести примеси элементов III или V групп периодической системы Менделеева, то относительное количество электронов и дырок изменится. Процесс внесения примесей называют легированием.

Рассмотрим вначале случай введения в кристалл примеси элемента V группы. Атомы такой примеси называют донорами. Доноры замещают в некоторых узлах кристаллической решетки атомы основного вещества (рисунок 5).

Рисунок 5 – Полупроводник n-типа

Четыре валентных электрона донора связываются в кристаллической решетке с соседними атомами, а пятый электрон, оставшийся неиспользованным, оказывается слабо связанным с атомом донора. Для его отрыва от атома достаточно затратить небольшую энергию. Поэтому при комнатной температуре пятый электроны доноров оказываются свободными и могут участвовать в создании тока через кристалл. Атомы примеси, лишенные одного электрона превращаются в положительные ионы, закрепленные в узлах кристаллической решетки. В данном случае появление свободного электрона на связано с появлением дырки, т.е. в кристалле с пятивалентной примесью ток будет иметь в основном электронный характер. По этой причине полупроводник с донорной примесью называю электронным или полупроводником n-типа.

Дырочная составляющая тока в полупроводнике n-типа также имеется, но величина ее значительной меньше электронной составляющей. Наличие дырочной составляющей объясняется разрывом отдельных связей атомов основного вещества с образованием электронов и дырок.

Добавление в чистый полупроводник трехвалентных атомов примеси, называемых акцепторами, приводит также к замещению в отдельных узлах решетки атомов основного вещества акцепторами (рисунок 6)

Рисунок 6 – Полупроводник p-типа

Трехвалентный атом имеет на один электрон меньше того количества электронов, которое требуется для образования устойчивых ковалентных связей. Т.е при введении такого атома примеси появляется вакантная связь, на которую может перейти электрон из соседней связи. Необходимая для перехода энергия весьма мала, поэтому уже при комнатной температуре все свободные места у атомов примеси оказываются занятыми, а сами атомы превращаются вследствие этого в отрицательные ионы. На местах ушедших к этим атомам электронов, образуются дырки, который хаотически перемещаются в кристалле и могут участвовать в создании тока через кристалл. Появление дырок не связано с появлением свободных электронов, поэтому дырочная составляющая общего количества подвижных носителей заряда в таком полупроводнике преобладает над электронной составляющей. Последняя имеет место вследствие собственной электропроводности. Рассмотренный полупроводник называют дырочным или полупроводником р-типа.

Полупроводники с примесями называют примесными, а электропроводность примесного полупроводника – примесной электропроводностью.

Носители заряда, однотипные с примесным полупроводником называют основными, а не однотипные – не основные.

В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а не основными – дырки. В полупроводнике р-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны – не основными.