Презентация по электротехнике на тему "Полупроводники"

• 1 слайд

  Полупроводники
  

• 2 слайд

  Схема уровней энергии электронов для металла (а) и диэлектрика (б)
  

• 3 слайд

  Схема уровней энергии, или зонная энергетическая диаграмма, для металла
  В действительности схема эта сложнее, число уровней в ней очень велико и распределены они неравномерно. Можно построить диаграмму распределения электронов по уровням энергии
  Распределение электронов в металле по уровням энергии
  ,где
  W-энергия;
  N-число электронов;
  T-температура ;
  

• 4 слайд

  Рис. а показывает, что у металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеет энергию, достаточную для перехода валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, число электронов проводимости в металла не меньше числа атомов.
  Иная энергетическая структура характерна для диэлектриков. У них между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться (Рис. б)
  

• 5 слайд

  У полупроводников зонная диаграмма подобна рис. б, но ширина запрещенной зоны меньше, чем у диэлектриков, и составляет около одного электрон-вольта. При низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.
  Полупроводники
  

• 6 слайд

  В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используется германий (Ge) и кремний (Si), имеющий валентность равную 4.
  

• 7 слайд

  Ковалентная связь между атомами германия и кремния
  Внешние оболочки атомов германия или кремния имеют 4 валентных электрона. Пространственная кристаллическая решетка состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь называется ковалентной или парноэлектронной
  Ковалентная связь между атомами германия
  Плоскостная схема кристаллической решетки германия
  

• 8 слайд

  Электропроводность
  проводников
  электронная
  дырочная
  

• 9 слайд

  Электронная электропроводность обусловлена перемещением электронов проводимости.
  При рабочих температурах в полупроводниках имеются электроны проводимости, которые слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое колебание между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут начать двигаться в определенном направлении. Такое движение и есть электрический ток.
  
  Электронная электропроводность
  
  

• 10 слайд

  Дырочная электропроводность
  Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой. В атоме не хватает одного электрона, т.е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя, как элементарные положительные заряды.
  На схеме, один из электронов, получив дополнительную энергию, становиться электроном проводимости, т.е. свободным носителем заряда, и может перемещаться по кристаллической решетке. А его прежнее место теперь свободно. Это и есть дырка.
  

• 11 слайд

  Принципы дырочной электропроводности
  в различный момент времени
  

• 12 слайд

  Энергетическая структура полупроводника
  При температуре абсолютный ноль полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком, в нем нет электронов и дырок проводимости. Но при повышении температуры электропроводность возрастает, так как электроны валентной зоны получают дополнительную энергию и за счет этого все большее их число преодолевают запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зону проводимости.
  

• 13 слайд

  В зависимости от рода примеси примесная электропроводность может быть электронной и дырочной.
  Примесная электропроводность
  Примеси,атомы которых отдают электроны, называют донорами. Атомы доноров, теряя электроны, сами заряжаются положительно.
  Вещества, отбирающие электроны, называются акцепторами(принимающий). Атомы акцептора, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно.
  

• 14 слайд

  Электронные полупроводники
  Полупроводники n-типа
  Энергетические уровни атомов донора расположены ниже зоны проводимости основного полупроводника. Поэтому из каждого атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости, в зоне появляется дополнительное число электронов, равное числу атомов донора.
  Зонная диаграмма полупроводника
  n-типа
  

• 15 слайд

  Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются лишь немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникают дырки.
  Дырочные полупроводники
  Полупроводники р-типа
  Зонная диаграмма полупроводника
  р-типа
  

• 16 слайд

  Например, германий, будучи четырех валентным, обладает примесной электронной электропроводностью, если к нему добавлена сурьма(Sb).
  На рисунке показано с помощью плоскостной схемы строения полупроводника, как атом донорной примеси (пятивалентной сурьмы),в окружении атомов германия, отдает один электрон в зону проводимости.
  Возникновение примесной электронной электропроводности
  

• 17 слайд

  Если четырехвалентный германий содержит примеси трехвалентного индия, то их атомы отнимают электроны от атомов германия и в последних образуются дырки.
  Возникновение примесной дырочной электропроводности
  

• 18 слайд

  Ток в полупроводниках с электронной (а) и дырочной (б) электропроводностью
  

• 19 слайд

  Диффузия носителей заряда в полупроводниках
  Диффузионное движение подвижных носителей заряда (электроны и дырки) называется диффузионным током (iдиф).
  Причиной возникновения диффузионного тока является не разность потенциалов, а разность концентраций носителей.
  Причиной диффузии является неодинаковость концентрации частиц, а сама диффузия совершается за счет собственной энергии теплового движения частиц.
  

• 20 слайд

  Формула плотности диффузионного тока
  Jn диф=eDn∆n/∆x
  Jр диф=-eDn∆p/∆x
  и
  ,где
  ∆n/∆x и ∆p/∆x-градиент концентрации;
  Dn и Dp-коэффициент диффузии
  

• 21 слайд

  Знак «минус» в формуле плотности дырочного диффузионного тока поставлен потому, что дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок.
  Jр диф=-eDn∆p/∆x
  Движение дырок при разной концентрации носителей
  

• 22 слайд

  Избыточная концентрация носителей
  По экспоненциальному закону, показанному на графике для электронной концентрации. Время, в течение которого избыточная концентрация уменьшится в 2,7 раза, т.е. станет равна 0,37 первоначального значения n0,называют временем жизни неравновесных носителей тn.
  Изменение избыточной концентрации во времени
  

• 23 слайд

  Диффузионное распространение неравновесных носителей
  Концентрация электронов вдоль полупроводника вследствие рекомбинации убывает с расстоянием по экспоненциальному закону. Расстояние Ln, на котором избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшается в 2,7 раза, т.е. становится равной 0,37, первоначального значения n0, называют диффузионной длиной.
  Изменение избыточной концентрации в пространстве
  

• 24 слайд

  Электронно-дырочные переходы
  Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или n-p-переходом.
  Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т.е. имеет нелинейное сопротивление.
  Работа большинства полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы и др.) основана на использовании свойств одного или нескольких n-p-переходов.
  

• 25 слайд

  Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения
  Контактная разность потенциалов uk=φn-φp
  (Ek-вектор напряженности)
  На рис.б внешнее напряжение к переходу не приложено.
  На рис.в показано распределение концентрации носителей в переходе.
  На рис.а атомы примесей только в области перехода.
  

• 26 слайд

  Электронно-дырочный переход при прямом напряжении
  Напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым.
  Действие прямого напряжения uпр, вызывающее прямой ток iпр через переход .
  

• 27 слайд

  Распределение электронного дырочного тока в n-p-переходе
  Изменение токов вдоль оси х для случая, когда ток in преобладает над током iр, вследствие того что nn>pn и подвижность электронов больше подвижности дырок.
  

• 28 слайд

  Электронно-дырочный переход при обратном напряжении
  Под действием обратного напряжения uобр через переход протекает очень небольшой ток iобр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов.
  На рис.а одинаковые направления векторов Ек и Еобр. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна uк+uобр (рис.б)
  

• 29 слайд

  Переход металл-полупроводник
  Процессы в таких переходах зависят от работы выхода электронов, т.е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника.
  Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.
  

• 30 слайд

  Спасибо
  за внимание!