ФИЗИКА КРИСТАЛЛОВ КРИСТАЛЛЫКРИСТАЛЛЫ СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ ДЕФЕКТЫ В СТРУКТУРАХ ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В КРИСТАЛЛАХ ПОЛУПРОВО ДНИКИ КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ p-nПЕРЕХОДp-nПЕРЕХОД АМОРФНЫЕ ПОЛУПРОВО ДНИКИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ ФОНОНЫФОНОНЫ

СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ Аморфные тела Кристаллические тела Ближний порядок – определенная закономерность взаимного расположения ближайших соседних атомов Ближний порядок – определенная закономерность взаимного расположения ближайших соседних атомов Дальний порядок – упорядоченная в пространстве периодическая закономерность взаимного расположения атомов Дальний порядок – упорядоченная в пространстве периодическая закономерность взаимного расположения атомов Изотропность различных свойств - независимость свойств от направления в кристалле Изотропность различных свойств - независимость свойств от направления в кристалле Анизотропия различных свойств- свойства зависят от направления в кристалле Анизотропия различных свойств- свойства зависят от направления в кристалле

СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ Упорядоченное расположение молекул и атомов в твердом теле приводит к образованию некоторой кристаллической решетки правильной структуры – кристаллической решетки Упорядоченное расположение молекул и атомов в твердом теле приводит к образованию некоторой кристаллической решетки правильной структуры – кристаллической решетки элементарная ячейка В основе кристаллической решетки лежит элементарная ячейка трансляционной симметрии Основным свойством кристалла является наличие трансляционной симметрии простой Элементарная ячейка построенная из одного атома называется простой базисом Элементарная ячейка построенная из нескольких атомов называется базисом решетками Браве Решетки построенные из простых ячеек называются решетками Браве при построении решеток с базисом они могут быть образованы как совокупность нескольких решеток Браве вдвинутых друг у в друга при построении решеток с базисом они могут быть образованы как совокупность нескольких решеток Браве вдвинутых друг у в друга

СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ сингоний В зависимости от симметрии различают 14 типов решеток Браве, объединенных в 7 типов симметрии (сингоний)

СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ [[mnp]] Положение узла решетки записывается через координаты узла в единицах постоянной решетки индексами [[mnp]] [uvs] Отношение косинусов углов между данными направлениями и кристаллографическими осями определит индексы кристаллографических направлений [uvs] (hkl) Положение атомных плоскостей определяется индексами Миллера (hkl) [[mnp]] Положение узла решетки записывается через координаты узла в единицах постоянной решетки индексами [[mnp]] [uvs] Отношение косинусов углов между данными направлениями и кристаллографическими осями определит индексы кристаллографических направлений [uvs] (hkl) Положение атомных плоскостей определяется индексами Миллера (hkl)

СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ Дефекты кристаллических структур нульмерные (точечные) нульмерные (точечные) одномерные (линейные) одномерные (линейные) двухмерные (поверхностные) двухмерные (поверхностные) трехмерные (объемные) трехмерные (объемные) атом в междуузлиях - а вакансии- б атом внедрения - г атом замещения - д атом в междуузлиях - а вакансии- б атом внедрения - г атом замещения - д Дислокации Краевая – появление лишней атомной плоскости Винтовая – закручивание атомных плоскостей Дислокации Краевая – появление лишней атомной плоскости Винтовая – закручивание атомных плоскостей Имеют малую размерность – порядка нескольких атомных диаметров Имеют малую размерность – порядка нескольких атомных диаметров

ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ ИОННАЯИОННАЯ КОВАЛЕНТНАЯКОВАЛЕНТНАЯМОЛЕКУЛЯРНАЯМОЛЕКУЛЯРНАЯ МЕТАЛЛИЧЕСКАЯМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ В КРИСТАЛЛАХ циклическая частота Скорость продольной звуковой волны в твердом теле аргумент волны может принимать только дискретные значения

СВОЙСТВА ЗВУКОВЫХ ВОЛН В КРИСТАЛЛАХ набора гармонических функций 1. Хаотическое тепловое движение атома в узле решетки можно представить в виде набора гармонических функций с соответствующими волновыми числами и амплитудами дисперсионным соотношением 2. Циклическая частота и волновое число связаны в кристалле дисперсионным соотношением В кристалле наблюдается периодичность соответствующая зонам Бриллюена (в общем случае трехмерная)

СВОЙСТВА ЗВУКОВЫХ ВОЛН В КРИСТАЛЛАХ 5. Групповая скорость на границе зоны Бриллюена обращается в ноль, т.е звуковые волны с волновым числом соответствующим первой зоне не распространяются в таком кристалле 4. Фазовая скорость не является постоянной величиной При малых волновых числах фазовая скорость максимальна и волны распространяются без дисперсии скорость звука При малых волновых числах фазовая и групповая скорости становятся равными и это скорость называется скорость звука

ФОНОНЫ Фонон Фонон – квазичастица которой ставиться в соответствие монохроматическая звуковая волна в кристалле Поток m квантов - фононов волновая функция фонона энергия фонона импульс фонона всегда определяется с точности до величины, соответствующей размерам зоны Бриллюена Фононы обладают целым спином и подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна

ТЕПЛОЕМКОСТЬ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК 2. Полная энергия фононов в кристалле зависит от температуры кристалла и наибольшей возможной частоты звуковой волны в кристалле 1. Тепловые колебания кристаллической решетки можно представить как фононный газ в объеме кристалла температура Дебая В 3. При достаточно низких температурах квантованием энергии в кристалле пренебрегать нельзя - граница - температура Дебая В Закон Дюлонга-Пти 4. Закон Дюлонга-Пти – Теплоемкость кристалла В при высоких температурах T> В определяется в соответствии с законом о равнораспределении энергии по степеням свободы Классическая теория теплопроводности Закон Дюлонга-Пти 4. Закон Дюлонга-Пти – Теплоемкость кристалла В при высоких температурах T> В определяется в соответствии с законом о равнораспределении энергии по степеням свободы Классическая теория теплопроводности Закон Дебая В 5. Закон Дебая – Теплоемкость кристалла при низких температурах T< В определяется суммой полной энергии фононов и суммарной нулевой энергий гармонических осцилляторов Квантовая теория теплопроводности Закон Дебая В 5. Закон Дебая – Теплоемкость кристалла при низких температурах T< В определяется суммой полной энергии фононов и суммарной нулевой энергий гармонических осцилляторов Квантовая теория теплопроводности

СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ Жидкие кристаллы Смектическая жидкокристаллич еская структура нематическая жидкокриста ллическая структура холестерическая жидкокристаллическая структура

ЭЛЕКТРОНЫ В КРИСТАЛЛАХ Одноэлектронное приближение самосогласованном Одноэлектронное приближение при котором вместо взаимодействия данного электрона с остальными электронами по отдельности рассматривается его движение в некотором результирующем (самосогласованном) поле усредненного пространственного заряда остальных электронов Потенциальная энергия поля решетки Потенциальная энергия самосогласованного поля электронов приближении сильной связи В приближении сильной связи предполагается, что во всем объеме кристалла существует сильно изменяющееся потенциальное поле Потенциальная энергия в изолированном атоме Поправка, учитывающая влияние соседних узлов решетки Учет влияния соседних узлов приводит к расщеплению уровней и превращению их в зоны

ЭЛЕКТРОНЫ В КРИСТАЛЛАХ Запрещенные зоны Запрещенные зоны это энергетические промежутки, отделяющие разрешенные зоны друг от друга Свойство 1 Свойство 1. Число квантовых состояний в разрешенной зоне равно кратности вырождения атомного уровня энергии, из которого возникла зона, умноженное на полное число атомов в кристалле Свойство 3. Низко расположенные уровни образуют узкие зоны, а высоко расположенные – широкие. Разрешенной зоной Разрешенной зоной называется интервал значений энергии, которой может обладать электрон в кристалле Свойство 4. носителями заряда, создающими ток в кристалле могут быть только электроны из обобществленной, частично заполненной зоны. (проводимости) Свойство 2 Свойство 2. Электроны являются фермионами и подчиняются принципу Паули, поэтому число электронов в разрешенной зоне не может превзойти числа имеющихся в нем состояний, называемых вакансиями.

ЭЛЕКТРОНЫ В КРИСТАЛЛАХ Зонная структура некоторых кристаллических проводников и изоляторов Пример 1. Кристаллы одновалентных химических элементов лития, натрия, калия, меди (проводники) 1s 2 2s 1 Пример 1. Кристаллы одновалентных химических элементов лития, натрия, калия, меди (проводники) 1s 2 2s 1 Пример 2. Кристаллы двухвалентных химических элементов бериллия, магния (проводники) 1s 2 2s 2 Пример 2. Кристаллы двухвалентных химических элементов бериллия, магния (проводники) 1s 2 2s 2 Пример 3. Кристалл поваренной соли (изолятор) Натрий 1s 2 2s 1 2p 6 3s 1 Хлор 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Пример 3. Кристалл поваренной соли (изолятор) Натрий 1s 2 2s 1 2p 6 3s 1 Хлор 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

ЭЛЕКТРОНЫ В КРИСТАЛЛАХ адиабатное приближение Для упрощения анализа применяют адиабатное приближение – атомы в узлах кристаллической решетки считаются неподвижными При сближении атомов оболочки начинают перекрываться Электроны внутренних оболочек 1s, 2s, 2p Электроны внутренних оболочек 1s, 2s, 2p Валентные электроны 3s Крайний атом Свободные электроны Свободные электроны

ЗАПОЛНЕНИЕ ЭЛЕКТРОНАМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА вещества с неполным заполнением верхних разрешенных зон – а и б металлы) (металлы) вещества с неполным заполнением верхних разрешенных зон – а и б металлы) (металлы) вещества с полным заполнением валентной зоны - в вещества с полным заполнением валентной зоны - в Запрещенная зона относительно узкая - собственные полупроводники( эВ) собственные полупроводники ( эВ) Запрещенная зона относительно узкая - собственные полупроводники( эВ) собственные полупроводники ( эВ) Запрещенная зона относительно широкая - диэлектрики (4-5 эВ) Запрещенная зона относительно широкая - диэлектрики (4-5 эВ)

ЭЛЕКТРОНЫ В КРИСТАЛЛАХ волны Блоха 1. Решение уравнения Шредингера с учетом периодичности потенциального поля в кристалле имеет вид волн – волны Блоха. 2. В кристалле многие физические величины являются периодическими функциями Например квазиимпульс 2. В кристалле многие физические величины являются периодическими функциями Например квазиимпульс 3. Закон дисперсии частицы – зависимость ее энергии от импульса

ЭЛЕКТРОНЫ В КРИСТАЛЛАХ Представим скорость электронов в кристалле, как групповую скорость распространения волн де-Бройля Энергия электрона, выраженная через частоту, соответствующую волне де- Бройля Волновой вектор На электрон во внешнем поле действует сила Работа по перемещению электрона приводит к изменению энергии электрона Сила, действующая на электрон Эффективная масса, которая не является массой в общепринятом понимании и позволяет учесть влияние взаимодействия электрона в кристаллической решеткой на характер движения электрона

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ Удельная проводимость

ТЕПЛОЕМКОСТЬ ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА Распределение Ферми Условие вырождения электронного газа Полностью вырожденный электронный газ

ТЕПЛОЕМКОСТЬ ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА Суммарная тепловая энергия электрона - доля электронов, участвующих в тепловом движении 1. При больших температурах (больше температуры Дебая) выполняется закон Дюлонга-Пти 2. При малых температурах

ЗАПОЛНЕНИЕ ЭЛЕКТРОНАМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ Примесные полупроводники Примесные полупроводники отличаются наличием в узлах решетки атомов посторонних примесей или других дефектов Примесные уровни, передающие электроны в зону проводимости называют донорными уровнями донорными уровнями, донором а полупроводник - донором Примесные уровни, передающие электроны в зону проводимости называют донорными уровнями донорными уровнями, донором а полупроводник - донором Примесные уровни, на которые могут переходить электроны валентной зоны, акцепторными уровнями называют акцепторными уровнями, акцептором а полупроводник - акцептором Примесные уровни, на которые могут переходить электроны валентной зоны, акцепторными уровнями называют акцепторными уровнями, акцептором а полупроводник - акцептором

СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ Если число частиц N в системе много меньше числа возможных состояний G, то проблем с возможным заселением одного уровня несколькими частицами не существует – это невырожденное состояние невырожденное состояние. Условие невырожденности состояния системыN/G

СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ Для описания состояний сильно вырожденного электронного газа, например, электроны проводимости в металлах, применяют статистику Ферми-Дирака Число вновь занятых состояний заметно отличается от нуля лишь при выполнении условия, т.е. тепловому возбуждению подвергается только незначительная часть электронов Уровень Ферми, вероятность заполнения которого при температуре T>0, равна 1/2 Концентрация электронов в зоне проводимости

КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СОБСТВЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ 1. Элементы IV группы таблицы Менделеева Ge, Si 1. Элементы IV группы таблицы Менделеева Ge, Si К полупроводникам относятся ( собственные - i (intrinsic)) 2. Химические соединения элементов II и IVI групп таблицы Менделеева A II B VI CdS, BdS, CdFe 2. Химические соединения элементов II и IVI групп таблицы Менделеева A II B VI CdS, BdS, CdFe 3. Химические соединения элементов III и V групп таблицы Менделеева A III B V GaAs, InSb 3. Химические соединения элементов III и V групп таблицы Менделеева A III B V GaAs, InSb генерация Процесс возникновения носителей заряда - генерация рекомбинация Обратный процесс исчезновения носителей заряда - рекомбинация

КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СОБСТВЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ При постоянной температуре скорости генерации G и рекомбинации R равны – система находится в состоянии д дд динамического равновесия, а соответствующее состояние называется равновесным. Условие G=R носит название закон равновесия масс. В равновесно состоянии собственного полупроводника можно считать, что ni = pi Концентрация электронов в зоне проводимости собственного полупроводника Эффективная плотность состояний в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно Эффективная плотность состояний в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно

КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СОБСТВЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ В состоянии равновесия концентрации электронов и дырок одинаковы при T=0 уровень Ферми находится по середине между зоной проводимости и валентной зоной с ростом температуры уровень Ферми смещается к зоне проводимости, поскольку, как правило, эффективная масса дырок больше эффективной массы электронов

КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СОБСТВЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ 1. Электроны и дырки как квазисвободные частицы характеризуются квазиимпульсом 2. Вследствие анизотропии кристаллов энергия и квазиимпульс зависят от направления в кристалле E(p) 3. Эффективная масса зависит от вида функции E(p), поэтому в одном и том же кристалле возможны существование дырок и электронов с различными эффективными энергиями

КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ Пятый валентный электрон слабо связан со своим атомом энергия активации Примесный уровень Уровень Ферми собственного полупроводника полупроводниками n-типа Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками, с электронной электропроводностью или полупроводниками n-типа. основными Подвижные носители заряда, преобладающие в полупроводнике, называют основными. неосновными носители заряда, которые находятся в меньшем количестве, называются неосновными для данного полупроводника. n- типа электроны дырки В полупроводнике n- типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными - дырки.

КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ полупроводниками p-типа Полупроводники, в которых концентрация дырок в валентной зоне превышает концентрацию электронов в зоне проводимости, называются полупроводниками, с дырочной электропроводностью или полупроводниками p-типа. Разрыв связи приводит к появлению свободного уровня в валентной зоне (дырки), Примесный уровень энергия активации p дырки в полупроводниках p- типа являются основными, а электроны - неосновными p дырки в полупроводниках p- типа являются основными, а электроны - неосновными

КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ концентрации свободных электронов и дырок в состоянии теплового равновесия в полупроводнике n-типа : Уровень Ферми полупроводника n- типа концентрации свободных электронов и дырок в состоянии теплового равновесия в полупроводнике p-типа : Уровень Ферми полупроводника n- типа введение в полупроводник примесей приводит к увеличению концентрации одних носителей заряда и пропорциональному уменьшению концентрации других носителей заряда за счет роста вероятности их рекомбинации. для полупроводника р-типа выполняется неравенство для полупроводника n-типа выполняется неравенство

КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ Повышение температуры приводит к термическому возбуждению для полупроводника n-типа - для полупроводника p-типа – к переходу электронов на примесные уровни и для полупроводника n-типа - переходу электронов в зону проводимости, для полупроводника p-типа – к переходу электронов на примесные уровни и формированию в валентной зоне дополнительных вакансий Повышение температуры приводит к термическому возбуждению для полупроводника n-типа - для полупроводника p-типа – к переходу электронов на примесные уровни и для полупроводника n-типа - переходу электронов в зону проводимости, для полупроводника p-типа – к переходу электронов на примесные уровни и формированию в валентной зоне дополнительных вакансий для полупроводника n-типа для полупроводника n-типа для полупроводника p-типа для полупроводника p-типа донорный полупроводник собственный полупроводник Концентрация атомов примеси (донора) Плотность возможных состояний в зоне проводимости Энергия активации

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Работа выхода Вылетевший электрон индуцирует на поверхности положительный заряд Работа по преодолению поля индуцированных зарядов Работа по преодолению потенциального барьера двойного слоя Разность потенциалов в двойном слое, которая зависит от внешнего поля

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Работа выхода полная работа выхода термодинамическая работа выхода металлы полупроводники внешняя работа выхода (электронное сродство)

КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ Работа выхода и концентрация электронов для первого металла Контакт двух металлов Работа выхода и концентрация электронов для второго металла Потенциал первого металла в состоянии равновесия Потенциал второго металла в состоянии равновесия

КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ Контакт двух металлов Внешняя контактная разность потенциалов Внутренняя контактная разность потенциалов Первый закон Вольты химического состава и температуры Контактная разность потенциалов зависит только от химического состава и температуры соприкасающихся тел Второй закон Вольты крайних проводников Разность потенциалов между концами разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких проводников первого рода при постоянной температуре всех звеньев определяется только химической природой крайних проводников

КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ Контакт двух металлов В равновесном состоянии уровни Ферми выравниваются внутренняя контактная разность потенциалов Внешняя контактная разность потенциалов

КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ Контакт металл- полупроводник В равновесном состоянии уровни Ферми выравниваются Запирающий слой (барьер Шоттки) Контакт металл-полупроводник обладает свойством выпрямлять переменный ток При обратном включении толщина запирающего слоя увеличивается При прямом включении толщина запирающего слоя уменьшается При подключении к внешнему источнику с разностью потенциалов V уровни Ферми смещаются соответственно

КОНТАКТ МЕЖДУ ПОЛУПРОВОДНИКАМИ ОДНОГО ТИПА Омическими Омическими называют контакты, сопротивление которых не зависит от величины и направления тока.

ЯВЛЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКА Образование обедненного слоя на поверхности полупроводника n-типа Образование обогащенного слоя на поверхности полупроводника n-типа обедненным слоем Если знаки поверхностного заряда и основных носителей одинаковы, происходит обеднение приповерхностной области. Такую область называют обедненным слоем обогащенным слоем Если знаки поверхностного заряда и основных носителей противоположны, происходит обогащение приповерхностной области основными носителями зарядов. Такую область называют обогащенным слоем Изменение типа электропроводимости на поверхности полупроводника n-типа инверсией типа электропроводности Повышение плотности пространственного заряда может привести к пересечению уровня Ферми с уровнем середины запрещенной зоны, что соответствует изменению типа электропроводности у поверхности полупроводника. Это явление называют инверсией типа электропроводности электрического поля Электропроводность приповерхностного слоя полупроводника может изменяться под действием электрического поля, возникающего за счет напряжения, прикладываемого к металлу и полупроводнику, разделенным диэлектриком.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД электронно-дырочным или p-n переходом. Если переход создается между полупроводниками n-типа и p-типа, то его называют электронно-дырочным или p-n переходом. Такой p-n переход называют резким. экстракцией Выведение носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через электронно-дырочный переход ускоряющим электрическим полем называют экстракцией носителей заряда. ток дрейфаток проводимости Электроны p-области и дырки n-области, совершая тепловое движение, попадают в пределы диффузионного электрического поля, увлекаются им и перебрасываются в противоположные области, образуя ток дрейфа, или ток проводимости.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД повышенным сопротивлением запирающим слоем полупроводник характеризуется собственной электропроводностью и обладает по сравнению с остальным объемом, повышенным сопротивлением. В связи с этим его называют запирающим слоем или областью объемного заряда. ширина Другим важным параметром p-n перехода является его ширина

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД Прямое включение Через переход будет проходить результирующий ток, определяемый диффузионной составляющей неосновных носителей на границах p-n перехода под действием прямого напряжения U пр происходит увеличение концентраций неосновных носителей. инжекции неосновных носителей Повышение концентраций неосновных носителей в p- и n-областях вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к электронно-дырочному переходу, получило название инжекции неосновных носителей на границе запирающего слоя (x = 0) за счет инжекции концентрация носителей повышается

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД обратное включение током дрейфа Через переход будет проходить результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД Вольтамперная характеристика плотностью тока насыщения Величину называют плотностью тока насыщения

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД Реальная вольтамперная характеристика Туннельный пробой Туннельный пробой обусловлен прямым переходом электронов из валентной зоны одного полупроводника в зону проводимости другого Лавинный пробой Лавинный пробой возникает когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины p- n перехода, и за время свободного пробега электроны приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов в p-n переходе, наступает ударная ионизация, сопровождающаяся лавинным размножением носителей зарядов. Тепловой пробой обусловлен значительным ростом количества носителей зарядов в p-n переходе за счет нарушения теплового режима. Отличия реальной характеристики от теоретической на прямой ветви, в основном, обусловлены распределенным (объёмным) сопротивлением электронной и дырочной областей r 1 за пределами запирающего слоя сопротивление запирающего слоя r д

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД Емкость p-n перехода Барьерная (зарядная) емкость Барьерная (зарядная) емкость определяется изменением нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. - коэффициент, зависящий от типа p-n перехода (для резких p-n переходов = 1/2, а для плавных = 1/3). C 0 емкость p-n перехода при U ОБР = 0 диффузионная емкость Сопротивление утечки r УТ учитывает возможность прохождения тока по поверхности кристалла из-за несовершенства его структуры

РАЗНОВИДНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ Твердый раствор например германий-кремний Концентрация примеси Состав твердого арствора Варизонный полупроводник Варизонный полупроводник - это полупроводник с изменяющимся по координате основным химическим составом при условии локальной связи свойств с химическим составом Гетероструктура – Гетероструктура – содержит область со столь большим градиентом основного химического состава, что в этой области и ее окрестностях существенно нарушена электронейтральность и, следовательно, нарушена локальная связь состава и и концентрации носителей заряда

РАЗНОВИДНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ гетеропереходы

РАЗНОВИДНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ Варизонные полупроводники

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Группа физических процессов, обусловленных взаимным превращением энергии теплового движения и энергии электрического поля Эффект Зеебека Эффект Зеебека – возникновение эдс (термоэдс) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах. термоэлементом термопарой Цепь, составленная из двух различных проводников (М1, М2), называется термоэлементом (или термопарой), а ее ветви - термоэлектродами. коэффициент термоэдс коэффициент термоэдс металла 1 по отношению к металлу 2, который является характеристикой обоих металлов термопары Термоэдс обусловлена тремя причинами: температурной зависимостью уровня Ферми 1) температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей термоэдс;

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ оксидные, элементные и халькогенидные. В структуре и физико-химических свойствах аморфных полупроводников много общего с неорганическими стеклами. К ним относятся три основных вида стекол - оксидные, элементные и халькогенидные. Оксидные стекла Оксидные стекла образованы Окислами элементов III, IV и V групп Периодической системы (SiO, GeO 2, B 2 O 3, P 2 O 6, As 2 O 3 ), а также сплавами окислов, в том числе элементов VI группы Оксидные стекла Оксидные стекла образованы Окислами элементов III, IV и V групп Периодической системы (SiO, GeO 2, B 2 O 3, P 2 O 6, As 2 O 3 ), а также сплавами окислов, в том числе элементов VI группы Элементные стекла Элементные стекла образованы элементами V и VI групп (S, Se,P, Те), а также элементом IV группы (Ge). Элементные стекла Элементные стекла образованы элементами V и VI групп (S, Se,P, Те), а также элементом IV группы (Ge). Наиболее распространены халькогенидные стекла. Халькогены Халькогены (S, Se, Те) вещества, обладающие сходной с кислородом внешней электронной структурой, способные создавать с металлами соединения, аналогичные окислам сульфиды, селениды и теллуриды, составляющие основу халькогенидных стекол. Наиболее распространены халькогенидные стекла. Халькогены Халькогены (S, Se, Те) вещества, обладающие сходной с кислородом внешней электронной структурой, способные создавать с металлами соединения, аналогичные окислам сульфиды, селениды и теллуриды, составляющие основу халькогенидных стекол.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ три различных механизма электропроводности в аморфных полупроводниках: 1)электронная или дырочная Электропроводность в зонах, описываемая экспоненциальным законом. При дырочной электропроводности 1)электронная или дырочная Электропроводность в зонах, описываемая экспоненциальным законом. При дырочной электропроводности 2) электропроводность за счет туннельного перескока носителей заряда между локальными уровнями в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости или валентной зоны. При дырочной электропроводности 2) электропроводность за счет туннельного перескока носителей заряда между локальными уровнями в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости или валентной зоны. При дырочной электропроводности Энергия активации перескоков 3) перескоки носителей заряда между состояниями вблизи уровня Ферми. Этот процесс аналогичен электропроводности по примесям в сильно легированных полупроводниках 3) перескоки носителей заряда между состояниями вблизи уровня Ферми. Этот процесс аналогичен электропроводности по примесям в сильно легированных полупроводниках

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ Особенности аморфных полупроводников малая подвижность носителей заряда значительно более высокое удельное сопротивление слабая зависимость проводимости от концентрации примесей радиационная стойкость, высокая прозрачность в широком диапазоне частот, включая видимую и инфракрасную области. малая подвижность носителей заряда значительно более высокое удельное сопротивление слабая зависимость проводимости от концентрации примесей радиационная стойкость, высокая прозрачность в широком диапазоне частот, включая видимую и инфракрасную области.