Ответы к контрольным работам / КР-3 Полупроводники

Полупроводники

1. Какие вещества относятся к полупроводникам?

Пп – вещества основным свойством, которых является сильная зависимость электропроводности от внешних факторов.

По величине удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками ρ =10^−5 −10^9 Ом⋅м. С точки зрения зонной теории твердых тел к полупроводникам относят вещества имеющие ширину запрещенной зоны не более 3 эВ (ΔW=0,05−3эВ). ΔW – энергия, необходимая для перехода электрона в ЗП – для разрыва парно-электронной связи.

По типу электропроводности

2. Описать механизм образования свободных носителей зарядов в собственном полупроводнике.

Атом Si имеет на внешней электронной оболочке 4 валентных электрона.

Каждый атом, находящийся в узле кристаллической решетки связан парно-электронными ковалентными связями.

При Т 0 K, а также в отсутствии других энергетических воздействий все валентные электрона задействованы в образовании связей, снз отсутствуют и пп по величине электропроводности соответствует диэлектрикам.

При T>0 K, может произойти разрыв парно-электронной связи. При этом образует e в ЗП и не завершенная парно-электронная связь – дырка в ВЗ.

В отсутствии внешнего электрического поля e и дырка будут совершать хаотичное тепловое движение в пределах кристалла.

Таким образом, разрыв одной парно-электронной связи приводит к образованию в полупроводнике двух свободных носителей зарядов: отрицательно заряженного электрона и положительно заряженной «дырки». Этот процесс получил название генерации электронно-дырочных пар.

При приложении внешнего электрического поля свободные электроны и «дырки» будут двигаться упорядоченно, т.е. создавать электрический ток.

3.

Донорная примесь

Дефект решетки, при котором в невозбужденном состоянии локальной уровень занят, а при возбужденном состоянии способен отдать e в ЗП, называется донором

Акцепторная примесь

Дефект решетки, при котором в невозбужденном состоянии локальной уровень занят, а при возбужденном состоянии способен забрать e из ВЗ, называется акцептором

4. Описать характер изменения концентрации свободных носителей зарядов в полупроводнике при изменении температуры.

(1-2) При Т→0К концентрация снз определяется фоновыми носителями, за счет нарушения кристаллической структуры и неконтролируемыми примесями.

(2-3) при повышении T, e с донорных уровней переходят в ЗП или из ВЗ на акцепторные уровни, чем выше T, тем большее количество примесных атомов будет активировано.

3 происходит истощение примесных уровней, когда энергии теплового поля станет достаточно для полной активации примесей.

(3-4) область насыщения, концентрация не изменяется тк примесные уровни истощены, а энергии активации недостаточно для активации собственных нз.

(4) энергии теплового поля становится достаточно, чтобы активировать снз

(4-5) переход электронов из ВЗ в ЗП, чем больше T, тем больше актов перехода снз.

5. Описать характер изменения подвижность свободных носителей зарядов в примесном полупроводнике при изменении температуры.

(1) Увеличение подвижности нз объясняется тем, что рассеяние на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки незначительно из-за малой амплитуда колебания в этой области температур.

(2) Преобладающим является увеличение рассевания на тепловых колебаниях, подвижность уменьшается, тепловой энергии достаточно, чтобы раскачать узел кристаллической решетки.

6. Описать характер изменения электропроводности в собственном полупроводнике при изменении температуры.

(1-2) низкие температуры – примесная проводимость, если пп собственный, то участка (1-2) не будет

2 – донорная примесь отдала все электроны в зп, акцепторная приняла с вз.

(2-3) примеси истощены, снижение обусловлено тепловыми рассеяниями снз на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки.

(3-4) Появление собственной проводимости. С повышением T возрастает собственная проводимость пп, тк повышение числа снз оказывает большее влияние на проводимость, чем уменьшение их поовижости.

7.Опишите физическую сущность туннельного эффекта.

Туннельный эффект – явление преодоления частицей потенциального барьера, даже если ее энергия меньше величины барьера.

С точки зрения зонной теории, при воздействии внешнего электрического поля с напряженностью E на пп, его энергетические зоны становятся наклонными из за того, что электрон приобретает дополнительную энергию W=-e*E*x, где x – координата нахождения e.

Приобретая эту энергию к энергии e в пп в отсутствии внешнего поля, получаем наклон энергетических зон во внешнем электрическом поле.

В сильном электрическом поле (E>10^9 В/м) при наклоне зон возможен переход e из ВЗ путем туннельного просачивания через ЗЗ – этот механизм увелечения концентрации снз под действием сильного электрического поля – электростатическая ионизация.

Если свободный электрон под действием внешнего эл. поля приобретает эн-ю, достаточную для перехода электрона из ВЗ в ЗП или с локальных уровней в ЗП, то возможна ударная ионизация.

8.Описать характер изменения электропроводности в полупроводнике при изменении напряженности электрического поля

(1-2) выполнение закона Ома, внешнее электрическое поле не вызывает изменения концентрации и подвижности снз.

(2-3) увеличение концентрации и подвижности снз под действием внешнего поля. Соответствует выполнению закона Френкеля.

При Eкр происходит изменения энергетических зон – происходит туннелирование электронов – электростатическая ионизация.

9. Описать эффект Зеебека. Определите тип электропроводности полупроводника с помощью эффекта Зеебека

эффект Зеебека: если в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников, на спаях создана разность температур ∆T≠0, то в цепи возникает термоЭДС.

Механизм образования термоЭДС:

Один из концов однородного п/п-ка нагрет больше, чем второй.

Свободные носители заряда у горячего конца будут иметь более высокие энергии, скорости, концентрацию.

Состояние равновесия наступит при равенстве потока свободных носителей заряда, обусловленного градиентом температур.

(потоку, обусловленному действием эл. поля, возникшего в результате разделения зарядов)

T1>T2

У дырочного п/п-ка на холодном конце возникает избыточный полож. заряд. Т.о., по знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводности п/п-ка (“-” у n-типа и “+” у p-типа).

У электронного п/п-ка на холодном конце возникает избыточный отриц. заряд. На горячем конце останется не скомпенсированный положит. заряд, образованный ионами донорной примеси. Возникшее эл. поле будет вызывать поток эл-в от холодного конца к горячему.

10. Описать эффект Пельтье.

при прохождении тока через контакт двух последовательно соединенных разнородных полупроводников, место соединения нагревается или охлаждается в зависимости от направления тока.

Q=

Причина возникновения эффекта:

Внешнее эл. поле переносит эл-ны или дырки из одного материала в другой, причём равновесная энергия эл-в или дырок в обоих материалах различна и эл-ны, пришедшие из одного материала через спай, имеют избыток или недостаток энергии по сравнению с остальными эл-ми. Этот избыток (или недостаток) энергии отдаётся решетке (или пополняется за счёт решетки), в результате чего темп-ра спая растёт (или падает).

11. Описать эффект Томпсона.

при прохождении тока через полупроводник, вдоль которого есть градиент температуры, в дополнении к теплоте Джоуля, в зависимости от направления тока, выделяется или поглощается некоторое количество тепла.

Причина возникновения эффекта: При наличии в п/п-ке градиента температуры, в нём возникает термоЭДС. Если направление Е возникшего эл. поля совпадает с направлением Е внешнего поля, то не вся энергия, поддерживающая ток, обеспечивается внешним источником. Часть работы совершается за счёт тепловой энергии самого п/п-ка, в результате чего он охлаждается.

При смене направления Е внешнего поля, оно будет совершать дополнительную работу, что приведёт к выделению тепла, дополнительного к теплоте Джоуля.

T1>T2

12. Описать эффект Холла.

Если пластину полупроводника, вдоль которой течёт электрический ток I, поместить в магнитное поле Н, направленное перпендикулярно направлению тока, то в полупроводнике возникнет поперечное электрическое поле Е, направленное перпендикулярно току и магнитному полю.

Схема возникновения ЭДС Холла UХ