Полупроводники. Германий и кремний

Полупроводники
К основным полупроводникам относятся элементы
IV гр. табл. Менделеева.
Порядковый номер элемента соответствует количеству электронов (отрицательно заряженных частиц) в атоме и протонов (положительно заряженных частиц) в ядре.
Количество электронов и протонов в нейтральном атоме одинаковое, поэтому он электрически нейтрален.

Полупроводники
Номер группы соответствует количеству валентных электронов.
Валентным электроном называется электрон, находящийся на внешней орбите и определяющий химическую и электрофизическую активность атома.
Валентные электроны обладают самой большой энергией и при получении соответствующей дополнительной энергии могут становиться свободными
Количество свободных электронов определяет электропроводность вещества.

Полупроводники
Свободный электрон, оторвавшийся от ядра, может передвигаться и переносить отрицательный заряд при своём движении, а атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом.
Атом может не только терять электрон, но и присоединять его (кроме инертных газов) и, тогда атом принявший электрон, становится отрицательно заряженным ионом.

Полупроводники

Полупроводники
При построении зонной диаграммы энергии валентных электронов, связанных с ярами атомов, примем за начало отсчёта, их зона будет называться - «валентная зона» или «зона валентности».
Самой большой энергией будут обладать свободные электроны, оторвавшиеся от ядра. Их энергии образуют зону, которая называется – «зона проводимости».
Чем больше электронов в этой зоне, тем выше электропроводность вещества.
Между валентной зоной и зоной проводимости находится – «запрещённая зона». Она так называется, потому что электроны не могут находиться в этой зоне - энергии, соответствующие этой зоне, не достаточны, чтобы разорвать связь с ядром.

Полупроводники
Зонная или энергетическая диаграмм полупроводника
По оси «Y» откладывается энергия электронов «W», измеряемая в «электрон-вольт» (Эв).
Ось «Х» - безразмерная.
1 Эв – это работа, которую необходимо совершить электрону для преодоления разности потенциалов в 1В.

Полупроводники
Валентная зона или Зона валентности (ВЗ) – объединяет уровни энергий валентных электронов вещества и характеризуется энергиями «WВ».
Запрещённая зона (ЗЗ), объединяет уровни энергий, которые электроны в веществе иметь не могут.
Зона проводимости (ЗП), объединяет энергии свободных электронов, и характеризуется энергиями «WП».

Полупроводники
ΔW – ширина запрещённой зоны характеризует минимальное количество энергии, которое нужно сообщить валентным электронам, чтобы они стали свободными:

Полупроводники

Полупроводники

Полупроводники

Полупроводники
Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—3 Эв.
Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью.

Полупроводники
Полупроводники, состоящие из атомов одного химического элемента, называются собственными или химически чистыми.
Германий и кремний наиболее распространённые, они четырёх валентные.
Валентные электроны образуют ковалентные связи при построении кристаллической решётки полупроводника.
Такая решётка является однородной

Полупроводники

Полупроводники
При комнатных температурах электроны получают достаточно энергии, чтобы разорвать ковалентные связи.

Полупроводники
Если электрон получил энергию, большую ширины запрещённой зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным.
На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой.
В собственном полупроводнике количество электронов всегда равно количеству дырок.
Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда.

Полупроводники
Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии.
Процесс восстановления ковалентной связи называется
рекомбинацией зарядов.