Дырочная и электронная проводимость: Собственная электронная и дырочная электропроводимость.

Содержание

Собственная электронная и дырочная электропроводимость.

Полупроводники
представляют собой вещества, которые
по своей удельной
электрической проводимости занимают
среднее положение между проводниками
и диэлектриками.

Электропроводность
— это свойство вещества проводить
электрический ток.

Удельная
электропроводимость
— это величина, характеризующая
электропроводность вещества.

При
Т=300 °К удельная электропроводимость:

у
проводников 104106сн/см,

у
диэлектриков 1010
сн/см,

у
полупроводников 10-10104сн/см.

В
настоящее время для полупроводниковых
приборов помимо Ge
и Si
используют химические соединения:
арсенид галлия GaAs,
антимонид индия InP
и др.

При
возрастании температуры сопротивление
полупроводников уменьшается, а не
увеличивается, как у большинства твердых
проводников. Кроме того, электрическое
сопротивление полупроводников очень
сильно зависит от количества примесей,
а также от внешних воздействий (свет,
электрическое поле, излучение и т.д.).

В
полупроводниках существует
электропроводность двух типов: электронная
и дырочная.

Электронная
электропроводимость
обусловлена перемещением электронов
проводимости. При обычных температурах
в полупроводни­ках всегда имеются
электроны проводимости, Которые очень
слабо свя­заны с ядрами атомов и
совершают беспорядочное тепловое
движение между атомами кристаллической
решетки. Эти электроны, сохраняя
беспорядочное движение, под действием
разности потенциалов могут начать
двигаться в определенном направлении.
Такое дополнительное движение и является
электрическим током.

Полупроводники
обладают также дырочной
электропроводностью, которая
не наблюдается в металлах. Она является
особенностью полу­проводников.

В
атоме полупроводника под влиянием
тепловых или других воздействий один
из более удаленных от ядра валентных
электронов переходит в зону проводимости.
Тогда атом будет обладать положительным
за­рядом, численно равный заряду
электрона. Такой атом можно назвать
положительным ионом. В электролитах
при ионной электропроводно­сти ток
представляет собой движение ионов (ион

путешественник),
а при дырочной проводимости механизм
перемещения электрических заря­дов
иной. В полупроводниках кристаллическая
решетка достаточно прочна. Ее ионы не
передвигаются, а остаются на своих
местах.

Отсутствие
электрона в атоме полупроводника условно
назвали дыркой.
Дырки ведут себя, как элементарные
положительные заряды.

Один
из электронов, участвующих в ковалентной
связи, получив дополнительную энергию,
становится электроном проводимости,
т.е. свободным носителем заряда, и может
перемещаться в кристаллической решетке.
А его прежнее место становится свободным.
Это место занимает электрон проводимости
от соседнего атома, а сам соседний атом
становится дыркой и т.д. Результатом
этого является переме­щение положительных
зарядов – дырок –
в
направлении, противоположном движению
электронов. (Пример с креслами в зрительном
зале).

Электроны
и дырки, которые могут перемещаться и
создавать электропроводность называют
подвижными носителями зарядов или
просто носителями заряда. Под действием
тепла, света и т.д. происходит генерация,
пар носителей зарядов (пара:
электропроводимости, дырка проводимости).
Электроны проводимости могут снова
занимать сво­бодные места в валентной
зоне, т.е. объединяются с дырками.
Исчезновение пар – процесс рекомбинации
носителей заряда.

Полупроводник
без примесей называют собственным
полупроводником или полупроводником
i
– типа. Он обладает собственной
электропроводностью, которая складывается
из электронной и дырочной электропроводности.
Электронная электропроводимость
преобладает, что объясняется большей
подвижностью электронов, нежели дырок.

Движение
носителей заряда под действием
электрического поля на­зывается
дрейфом носителей, а ток проводимости
– дрейфовым током iдр..
Полный ток проводимости складывается
из электронного iп
др.
.
и дырочного iр
др

тока проводимости.

iдр.
= iп
др.
+
iр
др

(эти
токи складываются, т.к. движение дырок
представляет собой пе­ремещение
электронов).

2. Проводимость полупроводников. Твердое тело. Физика. Курс лекций

2.1. Собственная проводимость

2.2. Примесная проводимость полупроводников

2.2.1. Донорная проводимость

2.2.2. Акцепторная проводимость

Проводимость полупроводников определяется двумя типами носителей заряда, их концентрацией, которая зависит от примесей и температуры.

2.1. Собственная проводимость

Собственная проводимость полупроводников с точки зрения кристаллической структуры.

Полупроводник, в узлах кристаллической решетки которого расположены только собственные атомы, называется собственным.



Рисунок 2.1а – Генерация пар зарядов с точки зрения кристаллической структуры

Рисунок 2.1б – С точки зрения зонной теории

Рисунок 2.1в – Зависимость f(W) от W при Т>0

Рисунок 2.1 — Схема образования электрона и дырки (термогенерация).

а) T = 0 К – случай рассмотрен выше. Если приложить электрическое поле, то тока не появится, т. к. нет свободных носителей заряда.

б) T > 0 К– при тепловых колебаниях атомов в решетке кристалла могут быть разорваны некоторые ковалентные связи , в результате чего в междоузельном пространстве появляются свободные электроны (рисунок 2.1а), а покинутое электроном место имеет избыточный положительный заряд, называемый дыркой. Дырка может быть занята электроном из соседней связи, при этом пустое место–дырка переместится в эту соседнюю связь и т. д. Следовательно, перемещение дырки по кристаллу можно рассматривать, как движение положительного заряда. Свободный электрон и дырка будут перемещаться по кристаллу хаотически в отсутствии электрического поля и направленно при наличии поля, создавая электронную и дырочную составляющие электрического тока. Процесс возникновения электронно–дырочных пар называется генерацией. На образование одной пары расходуется энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи (Ge–0,72 B, Si–1,1 эВ, GaAs–1,41 эВ ).

Концентрация собственных электронов определяется температурой:

,

где – эффективная плотность состояний в зоне проводимости,

– эффективная плотность состояний в валентной зоне.

После подстановки численных значений физических констант , , и введения относительных выражений для эффективных масс и и температуры , получится следующая формула для вычисления :

– рассчитывается аналогично, и в инженерных расчетах . Если ( – масса покоя электрона) и К, то .

Аналогично рассчитывается концентрация собственных дырок при К и эВ , . А в кремнии при этой же температуре . Т. к. , то

.

При встрече электрона с дыркой происходит рекомбинация.

Скорость рекомбинации, т. е. количество исчезающих в единицу времени электронно–дырочных пар равна:

,

где – коэффициент рекомбинации.

Процессы термогенерации и рекомбинации электронов и дырок идут одновременно.

При установившемся равновесии .

Это условие определяет равновесную концентрацию носителей заряда в собственном полупроводнике при заданной температуре.

Разрыв ковалентной связи и образование пары электрон–дырка описывается, как переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, на что тратится энергия равная ширине запрещенной зоны (рисунок 2.1б). Свободный электрон может двигаться в зоне проводимости (энергетический интервал между уровнями в которой очень мал эВ), свободная дырка может двигаться только в валентной зоне, ее энергия на энергетической диаграмме возрастает вниз. Функция распределения Ферми меняет вид (рисунок 2.1в): заштрихованные “хвосты” одинаковы по величине и в зоне проводимости, и в валентной зоне показывают, что вероятность образования электрона и дырки одинаковы. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из зоны проводимости на свободный уровень валентной зоны.

2.2. Примесная проводимость полупроводников

2.2.1. Донорная проводимость

Донорная проводимость возникает в полупроводниках, которые легированы примесью с валентностью, большей валентности собственных атомов. Например, в (валентность ) вводятся атомы или (валентность ).

а)Донорная проводимость с точки зрения кристаллической решетки



Рисунок 2.2а – Образование свободных носителей заряда с точки зрения кристаллической решетки

Рисунок 2.2б — С точки зрения зонной теории

Рисунок 2.2в — Зависимость от для донорного полупроводника

Рисунок 2.2 — Схема появления свободных электронов за счет доноров.

Пятый электрон атома не участвует в создании ковалентных связей и оказывается наиболее слабо связанным. Он легко отрывается за счет энергии теплового движения, становится свободным и способен создавать электронный ток при наличии электрического поля. Этот процесс аналогичен ионизации атома в газе. При таком образовании свободного электрона не наблюдается разрыв ковалентных связей и образование дырки. Атом примеси становится положительным ионом, но он по–прежнему прочно “сидит” в узле решетки (рисунок 2.2а). Такие примеси называют донорными, а полупроводник донорным, электронным или п–типа. Как правило, при комнатной температуре все доноры ионизированы и ( – концентрация доноров, обычно для ). Кроме того, происходит и процесс генерации пар электрон–дырка, но в таком полупроводнике электронов значительно больше, чем дырок: , а . Электроны в таком полупроводнике называются основными носителями заряда, дырки неосновными. При этом не нарушается электрическая нейтральность полупроводника.

б) С точки зрения зонной теории положение пятого электрона атома примеси на энергетической диаграмме изображают помещенным на примесном (донорном) уровне, расположенным в верхней половине запрещенной зоны, вблизи зоны проводимости.я соответствует энергии необходимой для отрыва электрона от атома (например для в эВ). Этому процессу соответствует переход электрона с донорного уровня в зону проводимости. Концентрация свободных электронов за счет донорной примеси и ее зависимость от температуры оценивается следующим выражением:

.

Вероятность появления электрона в зоне проводимости в донорном полупроводнике значительно больше вероятности образования дырки в валентной зоне, что отражается графиком распределения Ферми. Уровень Ферми в донорных полупроводниках лежит в верхней половине запрещенной зоны (рисунок 2.2б, 2.2в). По-прежнему возможны процессы рекомбинации, но при каждой температуре устанавливается равновесие.

Концентрация электронов в зоне проводимости определяется выражением:

.

Если обозначить концентрацию дырок в донорном полупроводнике, то справедливо соотношение . Отсюда можно определить концентрацию дырок в донорном полупроводнике

.

2.2.2. Акцепторная проводимость

Акцепторная проводимость наблюдается в полупроводниках, легированных примесью, с валентностью меньше валентности основного атома. Например, , , в .

а)Акцепторная проводимость с точки зрения кристаллической решетки. Одна связь около атома оказывается незаполненной. При электрон соседних атомов может перейти, заполнив эту связь (рисунок 2.3а).

В результате атом становится отрицательным ионом, “сидящим” в узле решетки, а около атома кремния, от которого “ушел” электрон образовалась дырка. Свободные электроны при этом не образуются. Энергия образования дырки мала (например, для в эВ; для в эВ).

Примесь, благодаря которой появляются дырки, называется акцепторной, а полупроводник акцепторным, дырочным или -типа.



Рисунок 2.3.а – Образование свободных носителей заряда с точки зрения кристаллической решетки

Рисунок 2.3б – С точки зрения зонной теории

Рисунок 2.3в – Зависимость от для акцепторного полупроводника

Рисунок 2.3 — Схема образования дырки за счет акцепторной примеси.

Одновременно проходит термогенерация электронно–дырочных пар, но дырок больше и они являются основными носителями, а электроны неосновными.

б) С точки зрения зонной теории положение свободного места, на котором может быть захвачен электрон изображается акцепторным уровнем, расположенным в нижней половине запрещенной зоны (рисунок 2. 3б). Расстояние между уровнем акцептора и потолком валентной зоны соответствует энергии образования дырки, т. е. электрон переходит из валентной зоны на примесный уровень. Концентрация дырок, появившихся за счет акцепторных примесей оценивается выражением:

,

где NА– концентрация акцепторов. В таких полупроводниках вероятность появления дырки в валентной зоне больше, чем вероятность появления электрона в зоне проводимости. Это отражено графиком функции Ферми и положением уровня Ферми (рисунок 2.3в).

Как правило, в реальных полупроводниках есть и донорные акцепторные примеси. Они компенсируют друг друга, и тип полупроводника определяется разностью концентраций примеси. Например, если , то полупроводник -типа и концентрация дырок определяется разностью . И наоборот.

1.4. Электронно-дырочные переходы. 1. Полупроводниковые приборы. Электроника. Курс лекций

Общие сведения. Электронно-дырочным (p-n) называют такой переход, который образован двумя областями полупроводника с разными типами проводимости: электронной и дырочной. Электронно-дырочный переход нельзя создать простым соприкосновением полупроводниковых пластин n- и p-типа, так как в месте соединения невозможно обеспечить общую кристаллическую решетку без дефектов. На практике широко используется метод получения p-n перехода путем введения в примесный полупроводник примеси с противоположным типом проводимости, например с помощью диффузии, или эпитаксии.

Электронно-дырочные переходы используются в большинстве полупроводниковых приборов (в диодах и полевых транзисторах используются по одному p-n переходу, в биполярных транзисторах — два p-n перехода, в тиристорах — три p-n перехода). Поэтому очень важным является понимание физических явлений и электрических свойств p-n перехода.

Формирование p-n-перехода. Предположим, что p-n переход образован электрическим контактом полупроводников n- и p-типа с одинаковой концентрацией донорных и акцепторных примесей (рис. 1.5, a). На границе областей возникают градиенты концентраций электронов и дырок. Вследствие того, что концентрация электронов в n-области выше, чем в p-области, возникает диффузионный ток электронов из p-области в n-область. А из-за того, что концентрация дырок в p-области выше, чем в n-области, возникает диффузионный ток дырок из p-области в n-область. В результате диффузии основных носителей заряда в граничном слое происходит рекомбинация. Приграничная p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, обусловленный отрицательными ионами. Приграничная n-область приобретает нескомпенсированный положительный заряд, обусловленный положительными ионами.

На рис. 1.5, б показано распределение концентраций дырок p(x) и электронов n(x) в полупроводнике. В граничном слое образуется электрическое поле, направленное от n-области к p-области, как показано на рис. 1.5, а.

Рисунок 1.5. Рисунок 1. 6.

Это поле является тормозящим для основных носителей заряда. Теперь любой электрон, проходящий из n-области в p-область, попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить его обратно в электронную область. Аналогично любая дырка, проходящая из p-области в n-область, также попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить ее обратно в дырочную область.

Внутреннее поле является ускоряющим для неосновных носителей. Если электроны p-области вследствие, например, хаотического теплового движения попадут в зону p-n перехода, то внутреннее поле обеспечит их быстрый переход через приграничную область. Аналогично будут преодолевать p-n переход дырки n-области. Для них внутреннее поле также является ускоряющим.

Таким образом, внутреннее электрическое поле p-n перехода создает дрейфовый ток неосновных носителей заряда. Этот ток направлен встречно диффузионному току основных носителей заряда.

Если к полупроводнику не прикладывается внешнее напряжение, то результирующий ток через p-n переход отсутствует:

.

Это равенство устанавливается при определенной контактной разности потенциалов UK (рис. 1. 5, в). Эта разность потенциалов препятствует перемещению основных носителей заряда, т. е. создает потенциальный барьер. Для того чтобы преодолеть потенциальный барьер электрон должен обладать энергией W = qeUK. С увеличением потенциального барьера диффузионный ток должен убывать. Толщина слоя h, в котором действует внутреннее электрическое поле, мала и определяет толщину p-n перехода (обычно h < 10-6 м). Однако сопротивление этого слоя велико, поскольку он обеднен основными носителями заряда. Поэтому его часто называют запирающим. При одинаковых концентрациях носителей зарядов в p- и n-областях полупроводника толщина p-n перехода образуется из двух равных частей hp и hn (см. рис. 1.5, а).

В общем случае справедливо соотношение

Nаhp = Nдhn. (1.6.)

Контактная разность потенциалов и толщина р-n-перехода зависят от концентрации доноров и акцепторов:

; (1.7)

, (1.8.)

где с — диэлектрическая проницаемость.

Очевидно, что увеличение концентрации доноров и акцепторов приводит к увеличению контактной разности потенциалов и уменьшению толщины p-n перехода.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Вольт-амперной характеристикой p-n перехода называется зависимость тока, протекающего через p-n переход, от величины и полярности приложенного напряжения. Аналитическое выражение ВАХ p-n перехода имеет вид:

, (1.9)

где Iобр — обратный ток насыщения p-n перехода; U — напряжение, приложенное к p-n переходу.

Характеристика, построенная с использованием этого выражения, имеет два характерных участка (рис. 1.6): 1— соответствующий прямому управляющему напряжению Unp, 2 — соответствующий обратному напряжению Uобр.

При больших обратных напряжениях наблюдается пробой p-n перехода, при котором обратный ток резко увеличивается. Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый).

Прямое включение p-n-перехода. Включение, при котором к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение Uпр в противофазе с контактной разностью потенциалов, называется прямым. Прямое включение p-n перехода показано на рис. 1.7, а. Практически все внешнее напряжение прикладывается к запирающему слою, поскольку его сопротивление значительно больше сопротивления остальной части полупроводника. Как видно из потенциальной диаграммы (рис. 1.7, б), высота потенциального барьера уменьшается: Uб = Uк — Uпp. Ширина p-n перехода также уменьшается (h’ < h). Дрейфовый ток уменьшается, диффузионный ток резко возрастает. Динамическое равновесие нарушается и через p-n переход протекает прямой ток:

. (1.10.)

Как видно из формулы (16.10), при увеличении прямого напряжения ток может возрасти до больших значений, так как он обусловлен движением основных носителей, концентрация которых в обеих областях полупроводника велика.

При прямом включении дрейфовая составляющая тока пренебрежимо мала по сравнению с диффузионной. Это объясняется низкой концентрацией неосновных носителей заряда и уменьшением результирующей напряженности электрического поля, обусловливающих дрейфовый ток.

Процесс введения основных носителей заряда через p-n переход с пониженной высотой потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией. Инжектированные носители диффундируют вглубь полупроводника, рекомбинируя с основными носителями этой области. Дырки, проникшие из p-области в n-область, рекомбинируют с электронами, поэтому диффузионный дырочный ток Iр постепенно спадает в n-области до нуля.

Поступающие от внешнего источника в n-область электроны продвигаются к p-n переходу, создавая электронный ток In. По мере приближения к переходу, вследствие рекомбинации электронов с дырками, этот ток спадает до нуля. Суммарный же ток в n-области Iдиф = Ip + In во всех точках полупроводника n-типа остается неизменным. Одновременно с инжекцией дырок в n-область происходит инжекция электронов в p-область. Протекающие при этом процессы аналогичны описанным выше.

Обратное включение p-n-перехода. Включение, при котором к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение Uобр в фазе с контактной разностью потенциалов, называется обратным. Этот случай иллюстрирует рис. 1.8, а.

Рисунок 1.7. Рисунок 1.8.

Под действием электрического поля, создаваемого внешним источником Uобр, основные носители оттягиваются от приконтактных слоев вглубь полупроводника. Как видно из рис. 1.8, б, это приводит к расширению p-n перехода (h’ > h). Потенциальный барьер возрастает и становится равным Uб = Uк + Uобр. Число основных носителей, способных преодолеть действие результирующего поля, уменьшается. Это приводит к уменьшению диффузионного тока, который может быть определен по формуле

. (1.11)

Для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в p-области) потенциальный барьер в электронно-дырочном переходе отсутствует. Неосновные носители втягиваются полем в переход и быстро преодолевают его. Это явление называется экстракцией.

При обратном включении преобладающую роль играет дрейфовый ток. Он имеет небольшую величину, так как создается движением неосновных носителей. Этот ток называется обратным и может быть определен по формуле Iобр = Iдр — Iдиф. Величина обратного тока практически не зависит от напряжения Uобр. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон — дырка» при неизменной температуре остается неизменным. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно меньше концентрации основных носителей заряда, обратный ток p-n перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков). Это определяет выпрямительные свойства p-n перехода: способность пропускать ток только в одном направлении.

Для получения хороших выпрямительных свойств желательно уменьшить обратный ток, что достигается очисткой исходного полупроводникового материала с целью снижения концентрации неосновных носителей заряда. Высокая степень чистоты полупроводниковых материалов обеспечивается специальной дорогостоящей технологией.

Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии и под действием ударной ионизации атомов. Внутренняя электростатическая эмиссия в полупроводниках аналогична электростатической эмиссии электронов из металла. Под действием сильного электрического поля часть электронов освобождается из ковалентных связей и получает энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера p-n перехода. Двигаясь с большой скоростью, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки. Они, в свою очередь, разгоняются полем и создают дополнительные носители тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через p-n переход. Электрическому пробою соответствует участок 3 на рис. 1.6. Если чрезмерно увеличивать обратное напряжение (до значений, превышающих максимально допустимое напряжение Uo6p max, указанное на рис. 1.6), то произойдет тепловой пробой p-n перехода, и он потеряет свойство односторонней проводимости. Обратная ветвь характеристики при тепловом пробое имеет вид участка 4.

Тепловой пробой p-n перехода происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар «электрон — дырка» приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и росту обратного тока. Увеличение тока сопровождается дальнейшим повышением температуры. Процесс нарастает лавинообразно, происходит изменение структуры кристалла, и переход необратимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяемая на переходе, невелика, то пробой обратим.

Анализ ВАХ p-n перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого Rд изменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. Нелинейные свойства p-n перехода лежат в основе работы полупроводниковых диодов, транзисторов и других приборов.

Рисунок 1.9 Рисунок 1.10

На рис. 1.9 приведена модель реального p-n перехода. Здесь помимо управляемого сопротивления Rд показаны неуправляемые сопротивления контактов R и емкости p-n перехода: барьерная Сб и диффузионная Сдиф. Наличие у реальных p-n переходов сопротивлений контактов R сказывается на виде ВАХ в области прямых управляющих напряжений: характеристика располагается ниже по сравнению с идеализированным p-n переходом (область 5 на рис. 1.6).

Потенциальный барьер образован неподвижными зарядами: положительными и отрицательными ионами. Емкость, обусловленная этими зарядами, называется барьерной. При изменении запирающего напряжения меняется толщина p-n перехода, а следовательно, и его емкость. Величина барьерной емкости пропорциональна площади p-n перехода, концентрации носителей заряда и диэлектрической проницаемости материала полупроводника. При малом обратном напряжении толщина p-n перехода мала, носители зарядов противоположных знаков находятся на небольшом расстоянии друг от друга. При этом собственная емкость p-n перехода велика. В случае увеличения обратного напряжения толщина p-n перехода растет и емкость p-n перехода уменьшается. Таким образом, p-n переход можно использовать как емкость, управляемую обратным напряжением: Сб = qб/Uобр, где qб — объемный заряд равновесных носителей.

При прямом напряжении p-n переход, кроме барьерной емкости, обладает диффузионной емкостью Сдиф. Эта емкость обусловлена накоплением подвижных носителей заряда в n- и p-областях. При прямом напряжении основные носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях.

Каждому значению прямого напряжения соответствует определенный накопленный неравновесный заряд qдиф:

.

Диффузионная емкость не оказывает существенного влияния на работу p-n перехода, так как она всегда зашунгирована малым прямым сопротивлением Rд. Зависимости емкостей p-n перехода от управляющего напряжения имеют вид, изображенный на рис. 1.10.

Урок 33. электрический ток в полупроводниках — Физика — 10 класс

О полупроводниковом диоде

При контакте полупроводников p и n-типов образуется контактное электрическое поле, в результате диффузии электронов в полупроводник р-типа, а дырок в полупроводник n-типа. Создаётся запирающий слой для основных носителей заряда.

Односторонняя проводимость p–n-перехода

При включении в цепь p–n-перехода, когда область с электронной проводимостью соединена с отрицательным полюсом источника тока, а область с дырочной проводимостью – с положительным полюсом, внешнее электрическое поле ослабляет контактное поле, обогащает пограничный слой основными носителями и обеспечивает ток значительной силы, называемый прямым и обусловленный движением основных носителей заряда.

При обратном включении внешнее поле усиливает контактное поле, и пограничный слой обедняется основными носителями заряда. Течёт очень малый ток, обусловленный движением через p-n-переход неосновных носителей заряда, которых очень мало.

Полупроводниковый диод – устройство, содержащее p–n-переход и способное пропускать ток в одном направлении и не пропускать в обратном.

Транзистор или полупроводниковый триод – устройство, содержащее два p–n-перехода, прямые направления которых противоположны.

Современная электроника базируется на микросхемах и микропроцессорах, включающих в себя колоссальное число транзисторов. Транзисторы получили очень широкое распространение в современной технике. Они заменили электронные лампы в электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Открытие p–n перехода

Создание средств современной цифровой техники базируется на одном изобретении – транзисторе, основной принцип работы которого был открыт дважды, более полувека назад. И за 50 лет использования транзисторов у них не появилось серьёзных конкурентов. Кто же был первооткрывателем физического явления, положенного в основу работы транзистора?

1956 год. В Стокгольмском концертном зале три американских учёных Джон Бардин, Вильям Шокли и Уолтер Браттейн получают Нобелевскую премию «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» – настоящий прорыв в области физики.

Но более чем за 15 лет до этого, в начале 1941 года молодой украинский учёный Вадим Лашкарёв первый в мире экспериментально обнаружил p–n-переход и раскрыл механизм электронно-дырочной диффузии, на основе которых в годы Великой Отечественной войны были созданы первые в СССР полупроводниковые диоды, а в начале 50-х годов – первые в Украине полупроводниковые триоды.

Урок 33. электрический ток в полупроводниках — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 33. Электрический ток в полупроводниках

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) собственная и примесная проводимость;

2) p-n-переход;

3) электрический ток в полупроводниках;

4) зависимость тока от напряжения;

5) зависимость силы тока от внешних условий.

Глоссарий по теме:

Полупроводник — вещество, занимающее промежуточное положение в электропроводности между проводниками и диэлектриками.

Собственная проводимость — проводимость чистых полупроводников

Примесная проводимость — проводимость, вызванная введением примесей.

Полупроводниковый диод представляет собой устройство, содержащее p-n-соединение и способное передавать ток только в одном направлении.

Транзистор представляет собой устройство, содержащее два p-n переходов, прямые направления которых противоположны.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Соцкий Н. Н. Физика. 10 класс. Учебник для образовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 362-371.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач физики. 10-11 класс М.: Дрофа, 2009.

Дополнительная литература.

3. Зегря Г.Г. Перел В.И. Основы физики полупроводников. М.: Физматлит, 2009.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

http://kvant.mccme.ru/1985/09/pervoe_znakomstvo.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В полупроводниках атомы связаны ковалентными (попарно электронными) связями, которые сильны при низких температурах и освещенности. С ростом температуры и освещенности эти связи могут разрушаться, образуя свободный электрон и «дырку».

Реальные частицы — это только электроны. Электронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочередно заменяя друг друга, что эквивалентно движению «дырок» в противоположном направлении. «Дырке» условно приписывают «+» заряд.

В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и «дырок» одинакова.

Примеси, которые легко отдают электроны, называются донорными. Если мы их добавим, мы получим полупроводник n-типа с электронной проводимостью.

Примеси, которые легко принимают электроны, называются акцепторными. Если мы их добавим, мы получим полупроводник р-типа с дырочной проводимостью.

Когда два полупроводника с разными типами проводимости входят в контакт, образуется так называемый p-n-переход. Он имеет одностороннюю проводимость. При контакте полупроводников p- и n-типа в результате диффузии электронов в полупроводник р-типа и дырок в полупроводник n-типа образуется контактное электрическое поле. Для основных носителей заряда создан барьерный слой.

При включении в цепь p-n-перехода, когда область с электронной проводимостью связана с отрицательным полюсом источника тока, а область с дырочной проводимостью с положительным полюсом, внешнее электрическое поле ослабляет контактное поле и обеспечивает ток значительной силы, называемый прямым и обусловленным движением основных носителей заряда.

Когда переход включён обратном направлении, внешнее поле усиливает контактное поле, а пограничный слой обеднен основными носителями заряда. Очень малый ток течёт из-за движения через р-п-переход неосновных носителей заряда, которых очень мало.

Полупроводниковый диод представляет собой устройство, содержащее p-n-переход и способное пропускать ток в одном направлении и не передавать его в противоположном направлении.

Транзистор или триод полупроводника — это устройство, содержащее два p-n-перехода, прямые направления которых противоположны.

Современная электроника основана на микросхемах и микропроцессорах, которые включают в себя огромное количество транзисторов. Транзисторы стали широко распространены в современных технологиях. Они заменили электронные лампы в электрических цепях научной, промышленной и бытовой техники

Примеры и разбор решения заданий

1. Выберите правильный ответ на вопрос: «Почему сопротивление полупроводников уменьшается с ростом температуры?»

Варианты ответов:

1) концентрация свободных носителей заряда уменьшается;

2) концентрация свободных носителей заряда увеличивается;

3) скорость электронов увеличивается.

Правильный вариант: 2) концентрация свободных носителей заряда увеличивается.

Подсказка: обратите внимание, что при нагревании полупроводников в них образуется больше свободных носителей заряда.

2. Решите задачу: Концентрация электронов проводимости в германии при комнатной температуре n = 3·1019 м-3. Плотность германия ρ = 5400 кг/м3, молярная масса германия μ = 0,073 кг/моль. Каково отношение числа электронов проводимости к общему числу атомов?

Решение:

Ответ: 6,7·10-10

Полупроводники. Собственная проводимость, электронная и дырочная проводимость, ее зависимость от температуры. Процесс рекомбинации.








К полупроводникам относится большое количество веществ, которые занимают по своим электрическим свойствам промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Для полупроводников j=1 2¸ 10-8 См/м ( j — удельная электропроводимость ). Для проводников j = 1 4¸103См/м; для диэлектриков j < 10-12 См/м. Важнейшим свойством и признаком полупроводников является зависимость их электрических свойств от внешних условий Т, Е, р и т.д. Характерная особенность полупроводников заключается в уменьшении их удельного сопротивления с увеличением температуры. Для полупроводников характерно кристаллическое строение с ковалентной связью между атомами.

Собственная проводимость полупроводников.

Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов приобретает энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей.

Выход из ковалентной связи электрона на энергетической диаграмме соответствует переходу из валентной зоны в зону проводимости. При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает как бы свободное место, обладающее элементарным положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такое освободившееся в электронной связи место условно назвали дыркой, а процесс образования пары получил название генерация зарядов. Дырка, обладая положительны зарядом, присоединяет к себе электрон соседней заполненной ковалентной связи. В результате этоговосстанавливается одна связь (этот процесс называется рекомбинацией) и разрушается соседняя. Тогда можно говорить о перемещении положительного заряда — дырки по кристаллу. Если на кристалл действует электрическое поле, движение электронов и дырок становится упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. При этом дырочную проводимость называют проводимостью р-типа (positive — положительный), а электронную проводимостью n-типа (negative — отрицательной).

В химически чистом кристалле полупроводник (число примесей 1016м-3), число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нем образуется в результате одновременного переноса заряда обоих знаков. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника.



j = jn + jp

j — плотность тока электронов (n) и дырок (р).

В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны. Так как энергия активации, равная ширине запрещенной зоны идет на перевод электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости и одновременно на появление дырки в валентной зоне. Т.е. энергия, затраченная на образование пары носителей тока делится на две равные части, и таким образом начало отсчета для каждого из этих процессов (переход электрона на рождение дырки) должно находится в середине запрещенной зоны.

Количество электронов, перешедших в зону проводимости и количество образовавшихся дырок ~

таким образом, удельная проводимость собственных полупроводников

γ — постоянная, определяемая видом вещества.

Т.е. с увеличением Т γ увеличивается, так как с точки зрения зонной теории возрастает число электронов, которые в следствии теплового возбуждения переходят в зону проводимости.

, т.е.

По наклону линии lnγ можно определить ширину запрещенной зоны DE.

В полупроводниках существует электропроводность двух видов. Так же как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут получить дополнительное движение в определенном направлении, которое и является электрическим током.

Полупроводники обладают также дырочной электропроводностью, которая не наблюдается в металлах. В полупроводниках кристаллическая решетка достаточно прочна. Ее ионы, т. е. атомы, лишенные одного электрона, не передвигаются, а остаются на своих местах.

Отсутствие электрона в атоме условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т. е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды.

При дырочной электропроводности в действительности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок – в направлении, противоположном движению электронов.




Электроны и дырки, которые могут перемещаться и поэтому создавать электропроводность, называют подвижными носителями заряда или просто носителями заряда. Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерация пар носителей заряда, т. е. возникают пары: электрон проводимости – дырка проводимости.

Рекомбинация — исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии.

В полупроводниках возможны следующие варианты рекомбинации:

межзонная — непосредственный переход электронов в валентную зону, существенна в собственных полупроводниках и полупроводниках с узкой запрещённой зоной с минимальным количеством дефектов;

через промежуточные уровни в запрещённой зоне, существенна в примесных полупроводниках.

В образцах с больши́м значением поверхности на единицу объёма значительно возрастает роль рекомбинации на поверхностных состояниях (поверхностной рекомбинации).

 

4. Примесная проводимость: доноры и акцепторы электронов, полупроводники n- и p-типов.

Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью называется примесной. Примеси, вызывающие в полупроводнике увеличение свободных электронов, называются донорными, а вызывающие увеличение дырок — акцепторными.

Различное действие примесных атомов объясняется следующим образом. Предположим, что в кристалл германия (Ge4+) атомы которого имеют 4 валентных электрона, введем пятивалентный мышьяк As5+. В этом случае атомы мышьяка своими 4-я из пяти валентными электронами вступают в связь. 5-й валентный электрон мышьяка окажется не связанным, т.е. становится свободным электроном. Полупроводник, электропроводимость которых повысилась благодаря образованию избытка свободных электронов при введении примеси, называются полупроводниками с электронной проводимостью (полупроводник n-типа), а примесь донорной (отдающей электрон).

Введение в 4-х валентный полупроводник 3-х валентного элемента, например (In3+) индия приводит, наоборот, к избытку дырок над свободными электронами. В этом случае ковалентные связи не будут полностью завершены и образовавшиеся дырки могут перемещаться по кристаллу, создавая дырочную проводимость. Полупроводники, электропроводимость которых обусловлена в основном движением дырок, называется полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками р-типа, а примесь —акцепторной (захватывающие электрон из ковалентной связи или из валентной зоны). Энергетические уровни этих примесей называются акцепторными уровнями — расположены над валентной зоной.

Энергетические уровни донорных примесей называются донорными уровнями — расположены под нижним уровнем зоны проводимости.

В примесных полупроводниках носители заряда бывают основными (электроны в проводнике n-типа) и не основными (дырки в полупроводнике р-типа, электроны в полупроводнике n-типа).

 

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

1. Магнитное поле и его характеристики. Определение направления и индукции магнитного поля с помощью рамки с током. Графическое изображение. Свойства силовых линий (примеры).

Магнитное поле и его характеристики. При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле. Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю (рис. 34).Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поляприводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. 300 000 км/с.

Графическое изображение магнитного поля. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии (рис. 35, а), принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии,— южным полюсом (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы (рис. 35, б). Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (рис. 36) (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны).

Рис. 34. Схемы действия магнитного поля на движущиеся электрические заряды: положительный ион (а) и электрон (б).

Рис. 35. Магнитное поле, созданное постоянным магнитом.

Рис. 36. Однородное магнитное поле между полюсами постоянного магнита.

Рис. 37. Магнитный поток, пронизывающий катушку при перпендикулярном (а) и наклонном (б) ее положениях по отношению к направлению магнитных силовых линий.

Для более наглядного изображения магнитного поля силовые линии располагают реже или гуще. В тех местах, где магнитное роле сильнее, силовые линии располагают ближе друг к другу, там же, где оно слабее,— дальше друг от друга. Силовые линии нигде не пересекаются.

Во многих случаях удобно рассматривать магнитные силовые линии как некоторые упругие растянутые нити, которые стремятся сократиться, а также взаимно отталкиваются друг от друга (имеют взаимный боковой распор). Такое механическое представление о силовых линиях позволяет наглядно объяснить возникновение электромагнитных сил при взаимодействии магнитного поля и Проводника с током, а также двух магнитных полей.

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля.

Характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции или индукции магнитного поля, обозначаемый В. За направление вектора магнитной индукции в данной точке поля принимают направление, в котором указывает N-полюс свободно вращающейся магнитной стрелки (рис. 2а). Ориентацию рамки с током в магнитном поле тоже можно использовать для определения направления вектора магнитной индукции, так как её плоскость устанавливается в поле перпендикулярно вектору магнитной индукции (см. §1). При этом направление вектора магнитной индукции определяют с помощью правила правого буравчика, согласно которому, если вращать ручку буравчика по направлению тока в рамке, то сам буравчик будет перемещаться в направлении вектора магнитной индукции (рис. 2б). Направление, в котором перемещается правый буравчик, ещё называют положительной нормалью к плоскости рамки с током.

Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым имеют то же направление, что и вектор магнитной индукции в этой точке поля. Линии магнитной индукции служат силовыми характеристиками поля, как и силовые линии электрического поля. Очевидно, что, как и силовые линии электрического поля, линии магнитной индукции не могут пересекаться между собой. Картину линий магнитной индукции поля можно построить с помощью магнитной стрелки или рамки с током, помещая их в различные точки поля.

Как следует из опытов Эрстеда (см. §1), прямолинейный проводник с током создаёт вокруг себя магнитное поле. На рис.2в показаны линии магнитной индукции поля прямолинейного проводника, которые представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику. Направление вектора магнитной индукции в этом случае можно определить опять же с помощью правого буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока, то направление движения ручки буравчика указывает на направление вектора магнитной индукции.

Видно (см. рис.2в), что линии магнитной индукции прямолинейного проводника с током оказались замкнутыми, т.е. линиями без начала и конца. Поля, характеризуемые замкнутыми силовыми линиями, называют вихревыми. Из курса физики за 10 класс известно, что силовые линии электростатического поля всегда имеют начало и конец, начинаясь на положительных и оканчиваясь на отрицательных электрических зарядах. В отличие от электростатических все магнитные поля являются вихревыми.

Замкнутость линий магнитной индукции – фундаментальное свойство магнитного поля, вызванное тем, что изолированных магнитных зарядов, подобных электрическим, не существует. Любое магнитное поле, возникающее при движении электрических зарядов, всегда содержит N и S-полюса, и сколько бы мы ни дробили постоянный магнит, каждая его песчинка всегда будет содержать разноимённые магнитные полюса.

Рис. 2. (а) – определение направления вектора магнитной индукции с помощью магнитной стрелки; (б) — применение правила буравчика для определения направления вектора магнитной индукции и положительной нормали рамки с током; (в) — применение правила буравчика для определения направления вектора магнитной индукции прямолинейного проводника с током.

 





Читайте также:







Электронная дыра — Energy Education

Рис. 1. Диаграмма, показывающая кристаллическую решетку и то, как движение электрона из валентной зоны создает дыру. [1]

Электронная дырка — один из двух типов носителей заряда, которые отвечают за создание электрического тока в полупроводниковых материалах. Дырку можно рассматривать как «противоположность» электрона. В отличие от электрона с отрицательным зарядом, дырки имеют положительный заряд, равный по величине, но противоположный по полярности заряду электрона. [2]

Дыры иногда могут сбивать с толку, поскольку они не являются физическими частицами в отличие от электронов, а скорее представляют собой отсутствие электрона в атоме. Дырки могут перемещаться от атома к атому в полупроводниковых материалах, когда электроны покидают свои позиции. [2] Может оказаться полезной аналогия. Представьте себе людей, стоящих в очереди на ступеньках. Если человек, идущий впереди очереди, поднимается на одну ступеньку, он оставляет дыру. По мере того, как все поднимаются на одну ступеньку, доступная ступень (отверстие) перемещается по ступеням.

Дыры образуются, когда электроны в атомах выходят из валентной зоны (самая внешняя оболочка атома, полностью заполненная электронами) в зону проводимости (область в атоме, откуда электроны могут легко уйти), что происходит везде в полупроводник.

Чтобы способствовать образованию дырок, полупроводники легируют определенными элементами. Эти полупроводники, в которых дырки являются наиболее заметными носителями заряда, известны как p-тип. [2] Когда элемент, внешняя оболочка которого на один электрон меньше кремния, например бор, добавляется в кристаллическую структуру кремния, он заменяет один из атомов кремния в кристаллической структуре. [3] Это можно увидеть на рисунке 1. Эти дырки легко принимают свободные электроны и дополняют полупроводники n-типа, поскольку избыточные электроны n-типа могут поглощаться p-типом. Это свойство является неотъемлемой частью p-n-перехода, жизненно важного компонента в работе диодов и фотоэлектрических элементов. Электропроводность резко увеличивается с образованием дополнительных электронов или дырок. [4]

И электроны, и дырки жизненно важны для создания тока в полупроводниках.Под воздействием некоторого внешнего напряжения и электроны, и дырки могут перемещаться через полупроводниковый материал. Этот процесс известен как применение прямого или обратного смещения. [4]

Для получения более подробной информации об этой концепции щелкните здесь или здесь.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

5.2.2 Теплопроводность

5.2.2 Теплопроводность

Теплопроводность
параметризует член потока в тепловом потоке
уравнение и отображает поток энергии на площадь и разность температур
транспортируется внутри однородного материала.Измерение теплового
проводимость обычно основывается на разнице температур
вызванный постоянным тепловым потоком, но также и более сложные подходы, такие как

-метод может применяться в частных случаях [215]. Общая
теплопроводность в полупроводниках состоит из решетки и
электронный вклад, который связан с электропроводностью
Закон Видемана-Франца. В то время как теплопроводность решетки, которая является
доминирующий механизм в широком диапазоне концентраций носителей заряда в кремнии,
германий и несколько полупроводников AIIIBV обычно моделируют как
зависимый от температуры степенной закон [133], электрон или дырка
вклад в материалы n- и p-типа возрастает в сильно легированных образцах.В собственном диапазоне как электроны, так и дырки вносят вклад в тепловое
проводимость, которую называют биполярным вкладом. В лидерах
теллурида эти дополнительные вклады в теплопроводность привели к
газом-носителем уже играет значительную роль в технически значимых
концентрации носителей [121]. На основе теоретических
из соображений, изложенных в [125], теплопроводность
зависимость от температуры и концентрации электронов можно смоделировать как

(5.15)



Соответствующие параметры собраны в таблице 5.6.

Таблица 5.6:
Значения параметров для модели теплопроводности теллурида свинца
включая вклад оператора связи.

На рис. 5.3 соответствие данных Бхандари
[125] и проиллюстрирована модель. Несколько данных измерений
имеющиеся в литературе [216 217 218 219] показывают
общее уменьшение теплопроводности при повышении температуры с
ослабление или даже обратная тенденция при более высоких температурах, вызванная
увеличение электронного вклада за счет дополнительных бесплатных носителей.

Рисунок 5.3:
Зависимость теплопроводности теллурида свинца от
температура решетки и концентрация носителей. В то время как красные глифы изображают Бхандари
по данным [125], поверхность обозначает моделируемый тепловой
проводимость.

Тепловой поток между двумя точками с температурами

а также

является
вычисляется по интегралу

(5.16)

предполагая, что концентрация носителей постоянна на протяжении всей дискретизации
коробка.

Рисунок 5.4:
Решетка в зависимости от состава материала и общее тепловое
проводимость Pb
Sn
Te при 300K, включая данные измерений и
наборы параметров модели.

В Pb
Sn
Те, рассеяние сплава входит как дополнительный механизм и
таким образом, теплопроводность резко снижается по сравнению с чистым PbTe и
SnTe. На Рис. 5.4 показано изменение теплового
проводимость по вещественному составу при

.Данные измерений были собраны из
[220,221,222], где последние два составляют
исследования спеченных образцов, что объясняет более низкую термическую
значения проводимости. Теоретически исследована составляющая решетки.
молекулярно-динамическими исследованиями в [223] и вычитанием
электронный вклад

(5.17)



полученный из электронной проводимости
, число Лоренца
а также
температура [220]. Модель для материального состава
зависимая теплопроводность в сплавах читает [133]


где
а также
обозначают содержание SnTe и PbTe соответственно.- теплопроводность PbTe при комнатной температуре,

аналогично для SnTe, а
коэффициент изгиба, учитывающий сплав
рассеяние уменьшения теплопроводности. Показатели, описывающие
температурные зависимости интерполируются линейно между значениями для
чистые материальные составляющие.
Дополнительный электронный вклад можно оценить как

(5.20)



для Pb
Sn
Те по данным, опубликованным в [220].Согласно значениям температурных показателей

а также

были идентифицированы для решеточной теплопроводности
на основе данных, опубликованных в [222] и [224]. В
параметры для модели теплопроводности, зависящей от состава материала
собраны в Таблице 5.7.

Таблица 5.7:
Значения параметров для моделей теплопроводности PbSnTe, зависящих от состава материала.

Уменьшение теплопроводности по сравнению с монокристаллами за счет зерна
о граничном рассеянии в спеченных материалах сообщалось в
[124,126,225] до
в чистом свинце
теллурид и
в неупорядоченных сплавах теллурида свинца.Однако
о резком снижении теплопроводности сообщается в [128]
для крупности в диапазоне

. Кроме того,
влияние размера зерна в спеченном

исследуется в
[127] для материалов горячего и холодного прессования. Последние работы касались
зависимость теплопроводности от давления при изготовлении
с использованием процессов высокой температуры и высокого давления [226, 227].

М. Вагнер: Моделирование термоэлектрических устройств

Что такое полупроводник p-типа? — Энергетическая диаграмма и проводимость

Внешний полупроводник p-типа образуется, когда трехвалентная примесь добавляется к чистому полупроводнику в небольшом количестве, и в результате в нем создается большое количество дырок.Большое количество дырок обеспечивается в полупроводниковом материале за счет добавления трехвалентных примесей, таких как галлий, и индий .

Такие типы примесей, которые производят полупроводники p-типа, известны как примеси акцептора , потому что каждый их атом создает одну дырку, которая может принять один электрон.

В комплекте:

Трехвалентная примесь, такая как галлий, имеющая три валентных электрона, добавляется в кристалл германия в небольшом количестве.Каждый атом примеси вписывается в кристалл германия таким образом, что его три валентных электрона образуют ковалентные связи с тремя окружающими атомами германия, как показано на рисунке ниже:

В четвертых ковалентных связях только атом германия дает один валентный электрон, в то время как атом галлия не имеет валентных связей.

Следовательно, четвертая ковалентная связь неполная, короткая на один электрон. Этот недостающий электрон известен как отверстие , отверстие . Таким образом, каждый атом галлия обеспечивает одну дырку в кристалле германия.

Так как очень небольшое количество примеси галлия имеет большое количество атомов, следовательно, оно обеспечивает миллионы дырок в полупроводнике.

Диаграмма энергетических зон полупроводника p-типа

Зонная диаграмма полупроводника p-типа показана ниже:

Большое количество дырок или вакантное пространство в ковалентной связи создается в кристалле с добавлением трехвалентной примеси. Небольшое или ничтожное количество свободных электронов также доступно в зоне проводимости.

Они образуются, когда тепловая энергия при комнатной температуре передается электронно-дырочным парам, образующим кристаллы германия. Но дырок больше по сравнению с электронами в зоне проводимости. Именно из-за преобладания дырок над электронами этот материал называют полупроводником p-типа.

Слово «p» означает положительный материал.

Проводимость через полупроводник p-типа

В полупроводнике p-типа большое количество дырок создается трехвалентной примесью.Когда к этому типу полупроводников применяется разность потенциалов, как показано на рисунке ниже:

Отверстия в валентной зоне направлены в сторону отрицательной клеммы. Поскольку ток протекает через кристалл через отверстия, которые являются носителями положительного заряда, этот тип проводимости известен как положительный или p-тип проводимости . В проводимости p-типа валентные электроны переходят от одного ковалентного к другому.

Проводимость полупроводника n-типа почти вдвое больше, чем проводимости полупроводника p-типа.Электроны, доступные в зоне проводимости полупроводника n-типа, намного более подвижны, чем дырки, доступные в валентной зоне в полупроводнике p-типа.

Подвижность дырок мала, поскольку они больше связаны с ядром.

Даже при комнатной температуре образуются электронно-дырочные пары. Эти свободные электроны, которые доступны в ничтожном количестве, также переносят небольшой ток в полупроводниках p-типа.

См. Также: Полупроводник n-типа

Почему металлы так хорошо проводят тепло и электричество?

Структура металлов

Структуры чистых металлов описать просто, поскольку атомы, образующие эти металлы, можно рассматривать как идентичные совершенные сферы.Более конкретно, металлическая структура состоит из «выровненных положительных ионов» (катионов) в «море» делокализованных электронов. Это означает, что электроны могут свободно перемещаться по структуре и обуславливают такие свойства, как проводимость.

Какие бывают виды облигаций?

Ковалентные облигации

Ковалентная связь — это связь, которая образуется, когда два атома разделяют электроны. Примерами соединений с ковалентными связями являются вода, сахар и диоксид углерода.

Ионные связи

Ионная связь — это полный перенос валентных электронов между металлом и неметаллом. В результате возникают два противоположно заряженных иона, которые притягиваются друг к другу. В ионных связях металл теряет электроны, чтобы стать положительно заряженным катионом, тогда как неметалл принимает эти электроны, чтобы стать отрицательно заряженным анионом. Примером ионной связи может быть соль (NaCl).

Связки металлические

Металлическая связь — это результат электростатической силы притяжения, которая возникает между электронами проводимости (в форме электронного облака делокализованных электронов) и положительно заряженными ионами металлов.Это можно описать как распределение свободных электронов между решеткой положительно заряженных ионов (катионов). Металлическое соединение определяет многие физические свойства металлов, такие как прочность, пластичность, термическое и электрическое сопротивление и проводимость, непрозрачность и блеск.

Делокализованные движущиеся электроны в металлах —

Это свободное движение электронов в металлах, которое придает им проводимость.

Электропроводность

Металлы содержат свободно движущиеся делокализованные электроны.При приложении электрического напряжения электрическое поле внутри металла вызывает движение электронов, заставляя их перемещаться от одного конца к другому концу проводника. Электроны будут двигаться в положительную сторону.

Электроны текут к положительному выводу

Теплопроводность

Металл хорошо проводит тепло.Проводимость возникает, когда вещество нагревается, частицы получают больше энергии и больше вибрируют. Затем эти молекулы сталкиваются с соседними частицами и передают им часть своей энергии. Затем это продолжается и передает энергию от горячего конца к более холодному концу вещества.

Почему металлы так хорошо проводят тепло?

Электроны в металле — это делокализованные электроны и свободно движущиеся электроны, поэтому, когда они набирают энергию (тепло), они вибрируют быстрее и могут перемещаться, это означает, что они могут быстрее передавать энергию.

Какие металлы проводят лучше всего?

Вверху: Электронные оболочки Золото (au), Серебро (Ag), Медь (Cu) и Цинк (Zn).
По логике, можно подумать, что Золото — лучший проводник, имеющий единственный s-орбитальный электрон в последней оболочке (диаграмма выше)… так почему серебро и медь на самом деле лучше (см. таблицу ниже).

Электропроводность металлов

> С / м

Серебро 6,30 × 10 7
Медь 5,96 × 10 7
Золото 4.10 × 10 7
Алюминий 3,50 × 10 7
цинк 1,69 × 10 7

Серебро имеет больший атомный радиус (160 мкм), чем золото (135 мкм), несмотря на то, что у золота больше электронов, чем у серебра! Причину этого см. В комментарии ниже.

Примечание: Серебро — лучший проводник, чем золото, но золото более желательно, потому что оно не корродирует.(Медь является наиболее распространенной, потому что она наиболее экономична)
Ответ немного сложен, и мы размещаем здесь один из лучших ответов, которые мы видели для тех, кто знаком с материалом.

«Серебро находится в середине переходных металлов примерно на 1/2 пути между благородными газами и щелочными металлами. В столбце 11 периодической таблицы все эти элементы (медь, серебро и золото) имеют единичный s -орбитальный электрон электрон внешней оболочки (платина также, в столбце 10).

Орбитальная структура электронов этих элементов не имеет особого сродства приобретать или терять электрон по отношению к более тяжелым или легким благородным газам, потому что они находятся на полпути между ними. В общем, это означает, что не требуется много энергии, чтобы временно сбить электрон или добавить его. Удельное сродство к электрону и потенциалы ионизации варьируются, и что касается проводимости, наличие относительно низких энергий для этих двух критериев в некоторой степени важно.

Если бы это были единственные критерии, золото было бы лучшим проводником, чем серебро, но у золота есть лишние 14 f-орбитальных электронов под 10 d-орбитальными электронами и единственным s-орбитальным электроном. 14 f-электронов связаны с дополнительными атомами в ряду актинидов. С 14 дополнительными электронами, которые, по-видимому, выталкивают d- и s-электроны, можно подумать, что s-электрон просто «созрел» для проводимости (почти не требовалось энергии, чтобы оттолкнуть его), но НЕТ. Электроны с f-орбиты упакованы таким образом, что это приводит к тому, что атомный радиус золота фактически МЕНЬШЕ, чем атомный радиус серебра — не намного, но он меньше. Меньший радиус означает большую силу со стороны ядра на внешние электроны, поэтому серебро побеждает в «соревновании» по проводимости. Помните, сила электрического заряда обратно пропорциональна квадрату расстояния. Чем ближе 2 заряда вместе, тем выше сила между ними.

И медь, и платина имеют еще меньший диаметр; следовательно, большее притяжение от ядра, следовательно, больше энергии, чтобы сбить этот одинокий s-электрон, следовательно, меньшая проводимость.

Другие элементы с единственным s-орбитальным электроном, находящимся там, «созревшим для того, чтобы появился сборщик проводимости», также имеют меньшие атомные радиусы (молибден, ниобий, хром, рутений, родий), чем серебро.

Таким образом, именно то место, где оно находится, то место, где «мать-природа» поместила серебро в периодической таблице, определяет его превосходную проводимость ».

Источник из фунтов 101 Yahoo

ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ И ЧИТАТЕЛЕЙ —

Структура и физические свойства металлов

Почему одни металлы проводят тепло лучше, чем другие?

Как передается тепло?

Теплопроводность металлов

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *