Referat pt. "Półprzewodniki Samoistne (Si)"

Półprzewodniki samoistne: krzem

Półprzewodnikami nazywamy substancje, których przewodnictwo elektryczne jest o kilka rzędów wielkości mniejsze niż u metali. Przewodnictwo właściwe wyraża się następująco:

1. dla metali 106 - 104 W-1 × cm-1 (1W × cm );
2. dla półprzewodników 104 - 10-5 W-1 × cm-1;
3. dla izolatorów 10-5 - 10-18 W-1 × cm-1.

Półprzewodnikami są zarówno pierwiastki, jak i związki chemiczne. Najbardziej typowym i zarazem najczęściej stosowanym półprzewodnikiem jest krzem Si.

Zewnętrzna powłoka elektronowa atomu krzemu składa się z czterech elektronów wirujących wokół jądra. Przy formowaniu się kryształu atomy zbliżają się do siebie na tyle, że ich zewnętrzne tory elektronowe wzajemnie zachodzą na siebie. Prowadzi to do tego, że elektrony walencyjne sąsiednich atomów stają się elektronami wspólnymi, poruszającymi się na wspólnych orbitach. Te wspólne orbity wiążą ze sobą atomy krzemu stanowiąc kowalentne lub parzystoelektronowe więzi. Elektrony uczestniczące w więzi należą równocześnie do obu związanych ze sobą atomów.

Schematycznie sieć przestrzenną krzemu można przedstawić w postaci płaskiej siatki, w której każdy atom łączy się kowalentną więzią z czterema najbliższymi atomami.

[link widoczny dla zalogowanych]

Przedstawiona na rysunku sieć przestrzenna jest siecią idealną. Krążkami przedstawione są czterowartościowe atomy, a łukami oznaczone są elektronowe pary. Taką sieć mają czyste półprzewodniki zwane samoistnymi. W temperaturze zera bezwzględnego (-273°C) wszystkie elektrony walencyjne są związane i jeśli w tym stanie półprzewodnik znalazłby się w polu elektrycznym, to prąd elektryczny w nim nie popłynie, gdyż nie ma w nim elektronów swobodnych zwanych elektronami przewodnictwa. Taki półprzewodnik ma właściwości idealnego izolatora.

Swobodny elektron lub elektron przewodnictwa może pojawiać się w półprzewodniku czystym tylko w przypadku, gdy walencyjny elektron uwolni się z wiązania. Do tego potrzebna jest określona energia. Ponieważ przy uwalnianiu się elektron otrzymuje dodatkową energię DE, więc jego całkowita energia będzie większa od tej energii, jaką mają elektrony związane, o wartość potrzebną do wykonania pracy rozerwania więzi. Jeśli na osi pionowej odmierzymy energię związanych i energię swobodnych elektronów, to otrzymamy następujący wykres:

Energiami wyższymi od poziomu Ec rozporządzają tylko elektrony swobodne, a energiami mniejszymi od Ew - tylko elektrony walencyjne. Z tego powodu strefę energii powyżej Ec nazywamy pasmem przewodnictwa, a strefę poniżej Ew - pasmem walencyjnym. Ponieważ w idealnych kryształach elektrony nie mogą mieć energii w strefie między Ec i Ew, strefę tę przyjęto nazywać strefą energii wzbronionych lub strefą wzbronioną. Szerokość strefy wzbronionej charakteryzuje energię DE konieczną do oswobodzenia elektronów z więzi walencyjnej.

Oswobodzenie elektronów walencyjnych może być dokonane na koszt:

1. energii cieplnej,
2. energii pola elektrycznego,
3. energii różnych typów promieniowania.

Przy podwyższaniu temperatury półprzewodnika, atomy w sieci krystalicznej wykonują drgania o coraz większej amplitudzie, tzn. o coraz wyższej energii. Ponieważ amplituda drgań nie u wszystkich atomów jest jednakowa, więc istnieje zawsze prawdopodobieństwo, że niektóre elektrony oderwą się od swych więzi walencyjnych kosztem energii ruchów termicznych atomów.

Elektron wyrwany z więzi walencyjnej sprawia to, że miejsce pozostałe po nim wykazuje naelektryzowanie dodatnie (+); w tym miejscu przeważa ładunek dodatni jądra nad ładunkami kompensującymi elektronów. Takie miejsce w niezapełnionym wiązaniu walencyjnym nazwane jest dziurą; jej ładunek dodatni co do wartości bezwzględnej jest równy ładunkowi elektronu. Dziura może być zapełniona elektronem walencyjnym z więzi sąsiedniej. W tym przypadku jedno wiązanie zapełni się, a drugie okaże się niezapełnione. W następstwie tego dziura przemieszcza się w krysztale, a razem z nią jej dodatni ładunek. Dziurę można więc uważać za nośnik ładunku dodatniego. Jest to umowny nośnik ładunku (+), w rzeczywistości jest to elektron przeskakujący z zapełnionego wiązania w miejsce wolne, będące dziurą.

W każdej temperaturze, w stanie równowagi dynamicznej, liczba nowo powstających dziur i swobodnych elektronów będzie równa liczbie znikających dziur i swobodnych elektronów.

Przy braku pola elektrycznego prąd w półprzewodniku nie popłynie, gdyż ruchy elektronów i dziur, jako ruchy termiczne, są ruchami chaotycznymi. Jeśli przyłożyć pole elektryczne, to elektrony i dziury zachowując ruch termiczny będą poruszać się ruchem uporządkowanym w kierunku sił pola. Ich uporządkowane ruchy o zwrotach przeciwnych stanowią prąd elektryczny.

Tak więc przewodnictwo elektryczne czystego półprzewodnika jest przewodnictwem mieszanym, elektronowo-dziurowym, którego wartość szybko maleje przy obniżaniu temperatury.

Opracowane Przez:
-Marcel Kleczka
-Michał Krukowka

Post został pochwalony 1 raz

Ostatnio zmieniony przez GhOsT dnia 14:01:22, w całości zmieniany 4 razy