Собственные полупроводники
Равные числа электронов проводимости и дырок.
Комбинации зарядов - электронно-дырочные пары.
Внешнее электрическое поле:
движение электронов проводимости и дырок в противоположных направлениях.
Течение тока в одном и том же направлении: заряды электрона и дырки противоположны по знаку.
11
Примесные полупроводники n-типа
Допирование (легирование) - добавление примесей с целью контроля проводимости п/п.
Пять электронов во внешней оболочке мышьяка (As):
четыре - формирование ковалентных связей с атомами п/п из группы IV (С, Si, Ge), пятый - остается незадействованным.
Атомы полупроводника
Атом примеси с пятью электронами во внешней оболочке
Незадействованный электрон атома примеси
Отсутствие связи «избыточного» электрона со своим родительским атомом.
12
Примесные полупроводники n-типа
Энергетический уровень «избыточного» электрона в энергетической щели чуть ниже зоны проводимости.
Зона
проводимости
Энергетический уровень донорного атома
Валентная зона
Еg = 1 эВ Еd = 0,05 эВ
13
Примесные полупроводники n-типа
Пятивалентный атом мышьяка As (примеси) – отдача донорным атомом одного электрона п/п-ку.
Незначительная разница (обычно около 0,05 эВ) между энергией этого электрона и энергией дна зоны проводимости.
Средняя энергия электронов при комнатной температуре - около 0,025 эВ.
Зона
проводимости
Энергетический уровень донорного атома
Валентная зона
Еg = 1 эВ Еd = 0,05 эВ
Необходимость очень небольшого теплового возбуждения для перемещения электрона в зону проводимости.
П/п n-типа (п/п, легированные донорными атомами): большая часть носителей заряда – электроны, заряженные (negatively)
отрицательно.
14
Примесные полупроводники p-типа
Три электрона внешней оболочки атома In (примеси) – образование ковалентных связей с атомами полупроводника из группы IV
с формированием дырки.
Атомы полупроводника Атом примеси с тремя электронами на внешней оболочке
Дырка или дефицит электрона в связи
Возможность образования четвертой связи, если бы у примесного атома был еще один электрон на внешней оболочке.
15
Примесные полупроводники p-типа
Уровень энергии, соответствующий этой связи, в запрещенной зоне чуть выше валентной зоны.
Зона
проводимости
Энергетический уровень акцепторного атома
Валентная
зона
Еg = 1 эВ Еd = 0,05 эВ
Достаточная энергия у электрона из валентной зоны, чтобы расположиться
на этом уровне при комнатной температуре.
Появление дырки в валентной зоне.
Возможность участия дырки в создании тока при наложении электрического поля.
16
Зона
проводимости
Энергетический уровень акцепторного атома
Валентная
зона
Еg = 1 эВ Еd = 0,05 эВ
Примесные полупроводники p-типа
Принятие трехвалентным атомом примеси (акцептором) электрона из валентной зоны.
Полупроводник р-типа - полупроводник,
легированный трехвалентными (aкцепторными) примесными атомами: большая часть носителей заряда - положительно (positively) заряженные дырки.
17
Примесные полупроводники
Примесные полупроводники в целом:
проводимость вызвана наличием атомов aкцепторных или донорных примесей.
18
Сверхпроводимость
Сверхпроводники – металлы и соединения, чье электроспротивление уменьшается практически до нуля
при температурах ниже определенной критической температуры Tc.
Критические температуры для некоторых сверхпроводников
Материал
19
Сверхпроводимость
Закон Ома: R = V / I.
Пропорциональность падения напряжения V напряженности электрического поля E.
R = 0 для сверхпроводника при или ниже его критической
температуры,
поэтому в нем V = 0 и E = 0. |
d |
||
|
|
|
|
Закон индукции Фарадея |
E |
ds |
dtB : |
если E = 0 везде внутри сверхпроводника, то левая сторона уравнения равна |
|||
0. |
d |
|
|
|
|
|
|
Следовательно, |
dtB |
0. |
|
Постоянство магнитного потока в сверхпроводнике. Сохранение магнитного поля в сверхпроводнике.
20