концентрация электронов в чем измеряется

Концентрация частиц

Концентрация частиц — физическая величина, равная отношению числа частиц N к объёму V, в котором они находятся:

.

Размерность в системе СИ , в системе СГС — .

Если концентрация является функцией координаты , то под концентрацией понимают отношение:

.

Однако, такое представление является в большой степени условным, поскольку концентрация (как, например, и температура) относится к макропараметрам и при переходе к бесконечно малому объёму, по большому счету, теряет смысл.

Формулы, в которых присутствует концентрация

Полезное

Смотреть что такое «Концентрация частиц» в других словарях:

концентрация частиц — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN particle concentration … Справочник технического переводчика

концентрация частиц — 3.2.7 концентрация частиц (particle concentration): Число частиц в единице объема воздуха. Источник: ГОСТ Р ИСО 14644 3 2007: Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 3. Методы испытаний … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

концентрация частиц в атмосфере планеты — концентрация Число частиц данного вида в единице объема атмосферы планеты. Примечание Подразумеваются как микрочастицы (атомы, молекулы, ионы или электроны), так и макрочастицы (капли, кристаллы, пылинки). [ГОСТ 25645.143 84] Тематики атмосферы… … Справочник технического переводчика

концентрация частиц в устройстве для определения запылённости дымовых газов — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN concentration of specie in the impingerCi … Справочник технического переводчика

концентрация частиц на входе — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN concentration at inletCin … Справочник технического переводчика

концентрация частиц на выходе — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN concentration at outletCout … Справочник технического переводчика

концентрация частиц ( particle concentration) — 2.2.3 концентрация частиц ( particle concentration): Число отдельных частиц в единице объема воздуха. Источник: ГОСТ Р ИСО 14644 1 2000: Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

относительная концентрация частиц в атмосфере планеты — относительная концентрация Отношение концентрации частиц данного вида к сумме концентраций всех частиц в атмосфере планеты. [ГОСТ 25645.143 84] Тематики атмосферы планет Синонимы относительная концентрация EN relative concentration of particles… … Справочник технического переводчика

массовая нагрузка [концентрация] частиц пыли в газовом потоке электрофильтра — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN ESP mass loading … Справочник технического переводчика

счетная концентрация частиц — 6.1.5 счетная концентрация частиц: По ГОСТ Р 50766. Источник: ГОСТ Р 51109 97: Промышленная чистота. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Источник

Идеальный газ

Газ: агрегатное состояние

У веществ есть три агрегатных состояния — твердое, жидкое и газообразное.

Их характеристики — в таблице:

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

Твердое

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около положения в кристаллической решетке

Жидкое

близко друг к другу

молекулы малоподвижны, при нагревании скорость движения увеличивается

Газообразное

занимает предоставленный объем

больше размеров молекул

хаотичное и непрерывное

В жизни мы встречаем вещества в газообразном состоянии, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (занимает весь предоставленный объем) и состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.

Агрегатных состояний точно три?

На самом деле есть еще четвертое — плазма. Звучит как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором, помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

Модель идеального газа

В физике есть такое понятие, как модель. Модель — это что-то идеализированное, она нужна в случаях, когда можно пренебречь некоторыми параметрами объекта или процесса.

Идеальный газ — это модель реального газа. Молекулы идеального газа представляют собой материальные точки, которые не взаимодействуют друг с другом на расстоянии, но взаимодействуют при столкновениях друг с другом или со стенками сосуда. При работе с идеальным газом можно пренебречь потенциальной энергией молекул (но не кинетической).

В повседневной жизни идеальный газ, конечно, не встречается. Но реальный газ может вести себя почти как идеальный. Такое случается, если среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, то есть если газ очень разреженный.

Свойства идеального газа

Среднеквадратичная скорость

Потенциальной энергией молекул газа пренебречь можно, а вот кинетической — никак нельзя. Потому что кинетическая энергия — это энергия движения, а мы не можем пренебрегать скоростью движения молекул.

На графике показано распределение Максвелла — то, как молекулы распределяются по скоростям. Судя по графику, большинство молекул движутся со средним значением скорости. Хотя есть и быстрые, и медленные молекулы, просто их значительно меньше.

Но наш газ идеальный, а в идеальном газе случаются чудеса. Одно из таких чудес — то, что все молекулы идеального газа двигаются с одинаковой скоростью. Эта скорость называется средней квадратичной.

Средняя квадратичная скорость

v1, v2, vn — скорости разных молекул [м/с]

N — количество молекул [-]

Давление идеального газа

Молекулы газа беспорядочно движутся. Во время движения они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором этот газ находится. Поскольку молекул много, ударов тоже много.

Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, за одну секунду на каждый квадратный сантиметр молекулы воздуха наносят столько ударов, что их количество выражается двадцатитрехзначным числом.

Хотя сила удара отдельной молекулы мала, действие всех молекул на стенки сосуда приводит к значительному давлению. Представьте, что комар пытается толкать машину — она не сдвинется с места. Но если за работу возьмется пара сотен миллионов комаров, то машину получится сдвинуть.

Эксперимент

Чтобы смоделировать давление газа, возьмите песок и лист бумаги, зажатый между двумя книгами. Песчинки будут выступать в роли молекул газа, а лист — в роли сосуда, в котором этот газ находится. Когда вы начинаете сыпать песок на лист бумаги, бумага отклоняется под воздействием множества песчинок. Так же и молекулы газа оказывают давление на стенки сосуда, в котором находятся.

Зависимость давления от других величин

Зависимость давления от объема

В механике есть формула давления, которая показывает, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади, на которую эта сила оказывается.

Давление

p = F/S

F — сила [Н]

S — площадь [м2]

То есть если наши двести миллионов комаров будут толкать легковую машину, они распределятся по меньшей площади, чем если бы толкали грузовой автомобиль, — просто потому, что легковушка меньше грузовика. Из формулы давления следует, что давление на легковой автомобиль будет больше из-за его меньшей площади.

Рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.

Давление в левом сосуде будет больше, чем во втором, потому что его площадь меньше. А раз меньше площадь сосуда, то меньше и его объем. Значит, давление зависит от объема следующим образом: чем больше объем, тем меньше давление, и наоборот.

При этом зависимость будет не линейная, а примет вот такой вид (при условии, что температура постоянна):

Зависимость давления от объема называется законом Бойля-Мариотта. Она экспериментально проверяется с помощью такой установки:

Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается.

Зависимость давления от температуры

Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Исследования в этой области впервые провел французский изобретатель Жак Шарль в XVIII веке.

В ходе эксперимента газ нагревали в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Незначительным увеличением объема колбы при нагревании можно пренебречь, как и столь же незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке. Таким образом, объем газа можно считать неизменным.

Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, ученый измерял температуру газа термометром, а давление — манометром.

Эксперимент показал, что давление газа увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при нагревании молекулы газа движутся быстрее, из-за чего чаще ударяются о стенки сосуда.

С температурой все проще. Зависимость давления от температуры при постоянных объеме и массе будет линейной:

Эта зависимость называется законом Шарля в честь ученого, открывшего ее.

Основное уравнение МКТ

Основная задача молекулярно-кинетической теории газа заключается в том, чтобы установить соотношение между давлением газа и его микроскопическими параметрами: массой молекул, их средней скоростью и концентрацией. Это соотношение называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа или кратко — основным уравнением МКТ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения.

Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, то есть состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

Мы уже выяснили, что причина давления газа на стенки — это удары молекул. Давление напрямую зависит от количества молекул — чем их больше, тем больше ударов о стенки и тем больше давление. А количество молекул в единице объема — это концентрация. Значит, давление газа зависит от концентрации.

Также давление пропорционально квадрату скорости, так как чем больше скорость молекулы, тем чаще она бьется о стенку сосуда. Расчеты показывают, что основное уравнение молекулярно-кинетической теории для идеального газа имеет следующий вид.

Основное уравнение МКТ

p = nkT

p — давление газа [Па]

T — температура газа [К]

m 0 — масса одной молекулы [кг]

v — средняя квадратичная скорость [м/с]

Коэффициент 1/3 обусловлен трехмерностью пространства: во время хаотического движения молекул все три направления равноправны.

Важный нюанс: средняя квадратичная скорость сама по себе не в квадрате! Ее формула указана выше, а в основном уравнении МКТ (да и не только в нем) она возведена в квадрат. Это значит, что формулу средней квадратичной скорости нужно подставлять не вместо v2, а вместо v— и потом уже возводить эту формулу в квадрат. Это часто провоцирует путаницу.

Мы знаем, что кинетическая энергия вычисляется по следующей формуле:

Кинетическая энергия

Е_к = mv 2 /2

Е_к — кинетическая энергия [Дж]

m — масса тела [кг]

v — скорость [м/с]

Для молекулы газа формула примет вид:

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы

Е_к — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]

m₀ — масса молекулы [кг]

v — скорость молекулы [м/с]

Из этой формулы можно выразить m₀v 2 и подставить в основное уравнение МКТ. Подставим и получим, что давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.

Основное уравнение МКТ

p — давление газа [Па]

n — концентрация [м-3]

E — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]

Хранение и транспортировка газов

Если нужно перевезти значительное количество газа из одного места в другое или если газ необходимо длительно хранить, его помещают в специальные прочные металлические сосуды. Из-за того, что при уменьшении объема увеличивается давление, газ можно закачать в небольшой баллон, но он должен быть очень прочным.

Сосуды, предназначенные для транспортировки газов, выдерживают высокие давления. Поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) туда можно закачать значительные массы газа, которые в обычных условиях занимали бы в сотни раз больший объем.

Поскольку давление газов в баллонах даже при комнатной температуре очень велико, их ни в коем случае нельзя нагревать. Например, держать под прямыми лучами солнца или пытаться сделать в них отверстие — даже после использования.

Источник

Концентрации электронов и дырок

Дополнительные главы физики

Вопросы к экзамену

1. Собственные полупроводники. Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике. Понятие «эффективная масса»

Концентрации электронов и дырок

В отсутствии внешних воздействий (освещение, электро-магнитное поле) будем обозначать концентрацию свободных электронов и дырок с инексом 0 ( )

Где — эффективная плотность состояний в зоне проводимости

– эффективная плотность состояний в валентной зоне

Эффективная масса

Для того чтобы использовать для описания движения электронов и дырок в полупроводниках в классическом представлении вводят понятие эффективных масс электронов и дырок ( и ). В этом случае уравнение механики

,

Будут справедливы если вместо массы свободного электрона (электрона в вакууме) в эти уравнения поставить эффективную массу электрона

Эффективная масса учитывает влияние периодического потенциала атома в кристалле проводника на движение электронов и дырок и определяется уравнением дисперсии

Примесные полупроводники. Концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике. Понятие «легирование»

Процесс вве­дения примесей в по­­лу­­про­водник называется леги­ро­ва­нием полупроводника, а са­ми при­­­­меси называют леги­ру­ю­щи­ми

Концентрация электронов и дырок

Данное уравнение справедливо только для равновесных носителей заряда, т.е. в отсутствии внешних воздействий.

2. Уровень Ферми и определение его положения

Энергия Ферми- это максимальная энергия электронов при

Энергия Ферми растет с увеличением количества электронов в квантовой системе и, соответственно, уменьшается с их уменьшением.

В любом п/п при стремлении температуры к абсолютному нулю уровень Ферми находится посередине запрещенной зоны, но при повышении температуры в примесном п/п он смещается либо вверх либо вниз. Причина этого в переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости или наоборот, что обуславливает изменение энергии зоны проводимости и последующее смещение уровня Ферми. В случае с беспримесными полупроводниками, уровень Ферми при любой температуре проходит по середине запрещенной зоны.
В случае с n-полупроводниками, количество электронов в зоне проводимости больше, чем у беспримесных полупроводников, поэтому средняя энергия электронов в зоне проводимости, в силу того же роста суммарной энергии системы при увеличении количества фермионов, повышается. Из-за этого, чтобы покинуть валентную зону и перейти в зону проводимости, электрону в n-полупроводнике требуется больше энергии. Потому уровень Ферми находится выше средины запрещенной зоны. Формально, уровень Ферми в n-полупроводниках лежит посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем.

В случае с p—полупроводниками, наблюдается обратная ситуация: чем большая концентрация акцепторов (например, атомов In), тем меньшая средняя плотность энергии электронов в зоне проводимости полупроводника, тем меньше средняя энергия на один электрон, и тем меньшая энергия требуется электрону, чтобы перейти в зону проводимости. Потому уровень Ферми находится ниже средины запрещенной зоны.

3. Кристаллическая структура полупроводника: описание структуры кристаллов

Элементарная ячейка в общем случае имеет форму косоугольного параллелепипеда. Все расположенные в ней атомы принято называть базисом элементарной ячейки кристалла. Закономерности строения элементарной ячейки и базиса, в частности степень их симметричности определяет многие свойства кристалла, в первую очередь электрические, магнитные и механические. Описание структуры любого кристалла можно и принято проводить, охарактеризовав его элементарную ячейку.

Пространственную решетку обычно характеризуют тремя векторами , задав их длины называемые периодами кристаллической решетки и углы между ними; именно эти параметры обязательно содержатся во всех справочниках по структуре веществ [2,3].

Базис принято задавать, описав положения всех атомов в одной ячейке набором радиус-векторов , числа задают положения атомов в долях соответственно векторов .

4. Кристаллическая структура полупроводника: основные типы кристаллической решетки

5. Кристаллическая структура полупроводника: направление и кристаллографические плоскости в кристаллической решетке

Направление в кристаллической решетке задают координатами их направляющего вектора в базисных векторах , обычно их заключают в квадратные скобки. При этом знак минуса в случае отрицательности координаты изображают над числом. Наиболее важные направления задаются как правило целыми числами. Некоторые направления в силу симметричности решетки, например кубической, физически равноценны, например , , и . Для описания такого семейства направлений используют треугольные скобки .

В кристалле большое значение имеют особые кристаллографические плоскости, проходящие через узлы кристаллической решетки. Именно кристаллографические плоскости, на которых расположено большое количество узлов кристаллической решетки, важны как для предсказания огранки кристалла, так и при рассмотрении движения частиц в нем).

6. Кристаллическая структура полупроводника: дефекты кристаллической решетки

Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько видов дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты.

К нульмерным (или точечным) дефектам кристалла относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения.

Одномерные (линейные) дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметра решетки, а по двум другим — соизмерим с ним.

Двумерные. Основной дефект-представитель этого класса — поверхность кристалла. Другие случаи — границы зёрен материала,

Трехмерные.Объёмные дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы;

7. Температурная зависимость концентрации носителей

Выражения, полученные для случая примесного проводника (см. выражения для положения уровня ферми для полупроводников n-типа) основаны на предположении, концентрация примесей существенно превышает собственную концентрацию полупроводника.

Однако собственная концентрация экспоненциально зависит от температуры. Поэтому возникает вопрос о характере температурной зависимости концентрации носителей тока, поскольку она определяет температруную зависимость параметров параметров полупроводниковых приборов. В примесном полупроводнике свободные носители зарядов образуются за счет ионизации как примесных, так и собственных атомов, однако для ионизации собственных атомов и перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия равная ширине запрещенной зоны, в то время, как для перевода электрона с уровня примеси в зону проводимости требуется многократно меньше энергии (см. зонные диаграммы полупроводников n иpтипов). Поэтому при каждой данной температуре вклад этих процессов в концентрацию СНЗ различен и зависит от температуры.

Температурные зависимости имеют три характерные области. В области низких температур, где средняя энергия тепловых колебаний решётки мала по сравнению с энергией ионизации донорной примеси, доноры ионизированы лишь частично. Концентрация свободных электронов незначительна, но экспоненциально растёт с увеличением температуры по мере ионизации доноров. Основную роль играют переходы электронов в зону проводимости с примесных уровней.

С повышением температуры средняя энергия фононов сравнивается с энергией ионизации доноров, оставаясь, однако, значительно меньше ширины запрещённой зоны. В этой области температур практически все атомы донорной примеси ионизированы, и их электроны находятся в зоне проводимости. Вместе с тем средняя энергия тепловых колебаний ещё недостаточна для того, чтобы перебрасывать электроны из валентной зоны в зону проводимости и повышать концентрацию носителей за счёт переходов «зона–зона». С этого момента и до температур, при которых энергия тепловых колебаний практически сравнивается с шириной запрещённой зоны, дальнейшее повышение температуры не приводит к заметному увеличению концентрации электронов. Такое состояние полупроводника называется состоянием примесного истощения в том смысле, что примесные уровни «истощились», отдав свои электроны в зону проводимости.

В области этих температур, протяжённостью в несколько сотен градусов абсолютной шкалы, концентрация ОНЗ-электронов практически не зависит от температуры (рис. 1.17) и равна концентрации доноров

Выполняются условия, использованные ранее для расчёта концентрации носителей (1.24), (1.25) в примесном полупроводнике. Остающаяся некоторая температурная зависимость концентрации обязана фактам ионизации собственных атомов решётки. Однако она незначительна, т. к. собственная концентрация .

Состояние примесного истощения, важное своей температурной стабильностью концентрации основных носителей заряда, наступает тем раньше, чем меньше концентрация примеси и ниже энергия её ионизации. В зависимости от характера примеси нижняя граница температур (начальная температура) примесного истощения может составлять несколько десятков градусов абсолютной шкалы, т. е. сотни градусов отрицательных температур шкалы Цельсия.

В области более высоких температур средняя энергия фононов начинает превышать ширину запрещённой зоны. Концентрация СНЗ (1.18б) экспоненциально растёт. Ионизация собственных атомов создаёт пару СНЗ Примесный полупроводник

приобретает свойства собственного.

Верхняя граница – максимальная (конечная) температура состояния примесного истощения Tmax – определяется как температура, при которой собственная концентрация сравнивается с концентрацией легирующейпримесиni=ND. На рис. приведены зависимости Tmax от степени легирования NдляGe (Eg = 0,72 эВ), Si (Eg = 1,12 эВ) и GaAs (Eg = 1,43 эВ).

Область температур примесного истощения заканчивается, и состояние собственной проводимости наступает тем позже, чем выше концентрация примеси и шире запрещённая зона (рис. 1.17, рис. 1.18). Примесная проводимость уступает место биполярной собственной проводимости.

8. Процессы генерации и рекомбинации в полупроводниках и диэлектриках

Образование свободных носителей зарядов в п/п, связанных с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить энергию достаточную для преодоления запрещенной зоны. Эту энергию электрон получает от ионов решетки совершающих тепловые колебания. Концентрация носителей заряда, вызванная термическим возбуждением в состоянии теплового равновесия называется равновесной.

Однако помимо теплового возбуждено с другими причинами:

в результате облучения фотонами или частицами большой энергии, ударной ионизации, введения носителей заряда в п/п из другого тела (инжекция) и т.д.

Возникшие т.о. избыточные носители назыв. Неравновесными.

Т.о. полная концентрация носителей зарядов:

Если возбуждение избыточным электронов из валентной зоны, а п/п однородный то ∆n=∆p.

После прекращения действия механизма вызвавшего появление неравновесной концентрации носителей происходит постепенное возвращение к равновесному состоянию. Процесс установления равновесия заключается в том, что каждый избыточный электрон при встрече с вакантным местом (дыркой) занимает его, в результате чего пара неравновесных носителей исчезает. Явление исчезновения пар носителей получила название – рекомбинация.

В свою очередь возбуждение электрона из валентной зоны или примесного уровня, сопровождающееся появлением дырки, назыв. – генерацией носителей заряда.

Скорость рекомбинации К пропорциональна концентрации СНЗ

G0 – будет больше в узкозонных п/п и при высоких температурах. Если в п/п нет электрического тока, то изменение во времени неравновесной концентрации электронов и дырок в зонах определяется уранением:

Где ∆G – это тмпераура генерации электронов и дырок за счет освещения п/п.

Рассмотрим процесс рекомбинации неравновесных носителей зарядов (при отключении освещения в момент t=0)

Рассмотрим 2 частных случая:

1.в собственном п/п при сильном освещении

∆n0 – начальная концентрация неравновесных носителей заряда.

Спадконцентраций происходит по параболическому закону

2.в донорном п/п в случае полной ионизации доноров

Τn – имеет смысл среднего времени жизни электрона в зоне проводимости

!рисунок спад неравновесной концентрации электрона во времени в донорном п/п.

Среднее время жизни представляет собой такой отрезок аремени за который концентрация избыточных носителей изменится в «е» раз.

Неравновесные носители заряда появляются только в том случае, если энергия фотонов при освещении п/п превышает ширину запрещенной зоны

9. Зонная теория твердых тел(ЗТТТ)

ЗТТТ позволила с единой точки зрения истолковать существование Ме диэлектриков и п/п, объясняя различие в их электрических свойствах:

1.неодинаковом заполнении электронами запрещенных зон

2.шириной запрещенных зон

В зависимости от степени заполнения зон электронами и шарины запрещенной зоны возможно 4 случая:

На рис а) самая верхняя зона, содержащая электроны заполнена лишь частично, т.е. в ней имеются вакантные уровни. В данном случае электрон получив сколь угодно малую энергетическую добавку ( за счет теплового движения энергетического поля) сможет перейти на более высокий уровень той же зоны, т.е. стать свободным и участвовать в проводимости.

Если в твердом теле имеется зона лишь частично заполненная электронами, то это тело всегда будет проводником эл. Тока именно это свойственно Ме. Твердое тело является проводником эл. Тока и в том случае когда валентная зона перекрывается свободной зоной, что в конечном счете приводит к не полностью заполненной зоне (случай б). Это имеет место для щелочно-земельных элементов(2 группа). Образуется «гибридная» зона, которая заполняется валентными электронами лишь частично. Это приводит к тому что в данном случае металлические свойства щелочно-земельных элементов обусловлено перекрытием валентной и свободной зоны.

Помимо рассмотренного перекрытия зон возможно так же перераспределение электронов между зонами, возникающие из уровней различных атомов, которое может привести к тому, что вместо 2х частично заполненных зон в кристалле окажется одна полностью заполненная(валентная) зона и одна свободная(проводимости) зона. Твердые тела у которых энергетический спектр электронных состояний состоит только из валентной зоны и зоны проводимости являются диэлектриками и п/п в зависимости от ширины запрещенной зоны.

Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких эВ, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоныв зону проводимости и кристалл является диэлектриком при всех реальных температурах(рис в).

Если запрещенная зона достаточно узкая, то переброс электронов из валентной з. в з. проводимости может быть осуществлена сравнительно легко: путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника способного передать электрону энергию ∆Е, в этом случае кристалл является п/п( рис г).

Различие между Ме и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при температуре 0К в зоне проводимости Ме присутствуют электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют.

Различие между диэлектриками и п/п определяется шириной запрещенной зоны:

Для диэлектриков широка(пр. NaCl ДЕ=6эВ).

Для п/п узкая(пр. Ge ДЕ=0.726).

При температурах близких к 0К п/п ведут себя как диэлектрики, т.к. переброса электронов в з. проводимости не происходит.

С увеличением температуры у п/п растет число электронов, которые в следствии теплового возбуждения переходят в зону проводимости, т.е. эл. Проводимость увеличивается.

P-n переход и его свойства

p-n-Перехо́д или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому.

Определяющее свойство р-n-пере­хода – егоодносторонняя проводимость.

Упрощенно механизм односторонней проводимости можно объяснить следующим образом, рисунок ниже:

Так как в области р с дырочной проводимостью подвижных электронов значительно меньше, чем в области п с элект­ронной проводимостью, то электроны из n-слоя начинают переходить в р-слой (у их границы), а дырки в то же время будут двигаться в обратном направлении. При этом элект­рическая нейтральность каждой области окажется нару­шенной. В пограничном слое с проводимостью типа а образуется положительный объемный заряд, а в р-области, то есть по другую сторону границы,— отрицательный. Таким образом, в тонком слое полупроводника у границы раздела р- и n-областей образуются две зоны объемных разноименных электрических зарядов. Этот слой и пред­ставляет собой собственно р-n-переход. Естественно, возникновение разноименных зарядов влечет за собой появле­ние электрического поля. Это поле препятствует проник­новению электронов в р-область, а дырок в «-область, причем настолько эффективно, что лишь отдельные элект­роны и дырки, обладающие повышенной энергией, могут преодолевать его тормозящее действие. Наступает стабиль­ное состояние р-n-перехода.

Если к полупроводнику приложить электрическое на­пряжение, то в зависимости от полярности этого напряже­ния р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.

Когда отрицательный полюс источника подключен к n-области кристалла, а положительный — к р-об­ласти:

внешнее электрическое поле и поле р-n-перехода направлены в противоположные стороны. Поэтому электрическое поле р-n-перехода окажется в зна­чительной степени ослабленным, и теперь уже электроны из n-области смогут проникать в р-область, а дырки из р-области в n-область. Таким образом, в цепи источник питания — полупроводник возникает ток. Полярность приложенного напряжения, при которой через полупроводник протекает ток (как в описанном случае), получила назва­ние прямой полярности. Когда же отрицательный полюс источника питания подключен к р-области кристалла, а по­ложительный к n-области:

электрические поля источника и р-n-перехода совпадают. Суммарное поле возрастает и в еще большей степени (чем до присое­динения источника питания) будет препятствовать передвижению электрических зарядов через р-n-переход. Если рассматривать идеальный случай, то электрического тока через переход не будет. Такую полярность приложенного к кристаллу напряжения называют обратной.

Итак, с определенной долей приближения можно счи­тать, что электрический ток через р-n-переход проте­кает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.

Эффективность излучения.

Поскольку рекомбинация в полупроводниках может быть как излучательной, так и безызлучательной, то эффективность излучения зависит от конкурентоспособности этих процессов. Критерием эффективности является внутренний квантовый выход, который определяется как отношение числа актов излучательной рекомбинации к полному числу актов (излучательных и безлучательных).

Если P_R, P_NR – вероятности излучательной и безызлучательной рекомбинации, отнесенные к единице времени, то внутренний квантовый выход n_j определяется следующим выражением:

Следовательно, для получения максимального n_jнеобходимо увеличить отношение вероятностей излучательной вероятности к безызлучательной. Вероятность безызлучательной рекомбинации можно уменьшить путем снижения в полупроводниковом материале концентрации неконтролируемых примесей и структурных дефектов, играющих роль центров безызлучательной рекомбинации.

25. Виды люминесценции. Релаксация люминесценции

У твёрдых тел различают три вида люминесценции:

1). мономолекулярная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в пределах одного атома или молекулы;

2). метастабильная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в пределах одного атома или молекулы, но с участием метастабильного состояния;

3). рекомбинационная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в разных местах.

26. Поглощение излучения в полупроводниках. Основные электронные переходы при поглощении света в кристаллах

Интенсивность света, проходящая через вещество, постепенно уменьшается. Поглощение электромагнитного излучения твердым телом осуществляется различными путями:

1. Энергия излучения расходуется на перевод электронов в более высокое энергетическое состояние;

2. Энергия электромагнитного поля передается кристаллической решетке и превращается в тепло.

3. Возможные переходы электронов в кристаллах под действием света

При поглощении кванта света возможен переход электрона с акцепторного на свободный донорный уровень ДАП (переход 5).

Зависимость кулоновского взаимодействия между донором и акцептором от межатомного расстояния между ними задает целый ряд значений энергии такого поглощения.

ΔE – ширина запрещенной зоны, Edи Ea – энергии ионизации донора и акцептора, q–заряд электрона, — статическая диэлектрическая проницаемость среды, — постоянная.

Расстояние между линиями поглощения ДАП определяется, таким образом, дискретными положениями дефектов в кристаллической решетке. Переходы 1, 3, 4 изменяют электропроводность кристалла, на этом явлении внутреннего фотоэффекта основана работа многих фотоприемников.

При внутрицентровыхпереходах 6 электрон не освобождается и процесс поглощения света не приводит к изменению электропроводности. То же относится и к экситонному поглощению, переходу в ДАП и поглощению свободными носителями заряда (переход 7)в более характерному для металлов. Экспериментально установлено, что уменьшение потока излучения при его поглощении в среде толщиной dl пропорционально пути и потоку падающего излучения:

α – коэффициент пропорциональности – показатель поглощения (не путать с коэффициентом поглощения, который представляет собой отношение потока излучения поглощенного телом к потоку излучения, упавшего на тело).

Таким образом, показатель поглощения α – величина, обратная расстоянию l, на котором поток излучения уменьшается

Зависимость показателя α от длины волны падающего света называется спектром поглощения вещества.

Собственное поглощение начинается при частоте ν₀, на краю которого при низких температурах хорошо проявляется структура экситонного поглощения света (переходы 1 и 2). Примесное поглощение создает полосы с 3 по 6; в широком диапазоне частот присутствует слабое поглощение света свободными носителями заряда (полоса 7) и, наконец, при малых энергиях квантов излучения обычно хорошо выделяется участок 8, связанный с поглощением излучения кристаллической решетки (в этом случае световая энергия превращается в энергию колебания ионов).

27. Фотоэлектрические явления в полупроводниках: внутренний фотоэффект, фотопроводимость и ее релаксация

Внутренний фотоэффект – изменение электрического сопротивления полупроводника, под действием излучения, называет фоторезистивным эффектом (или внутренним). Добавочная проводимость обусловленная носителями заряда созданным оптической генерацией носит название фотопроводников. При внутреннем фотоэффекте первичным актом является поглощение фотонов, поэтому процесс образования свободных носителей зарядов будет происходить по разному в зависимости от особенностей процесса поглощения света полупроводников.

При межзонных переходах имеет место собственная фотопроводимость, при наличии запрещённой зоны полупроводника, локальных уровней, оптическое поглощение может вызывать переходы электронов между уровнями примесей и энергетическими зонами переходы 2 и 3. В этом случае фотопроводимость называют примесной.

Поглощение света свободными носителями заряда и колебаниями решётки, непосредственно не могут привести к изменению концентрации носителей заряда, однако возрастание концентрации носителей заряда может происходить в результате вторичных дефектов, тогда поглощение света значительно увеличивает кинетическую энергия SnZкоторая затем отдает свою энергию на возбуждение носителей зарядов.

Фотопроводимость – избыточные электроны созданные оптической генерацией, могут иметь энергии значительно большие чем средняя энергия равновесных носителей заряда, однако в результате взаимодействия с дефектами кристаллической решётки энергия неравновесных носителей зарядов, за время приобретает такое распределение по энергии, как у равновесных носителей, поэтому подвижность неравновесных носителей зарядов не будет отличаться от подвижности равновесных зарядов, следовательно полная проводимость полупроводника определяется равновесными носителями зарядов и фото носителями .

Коэффициент пропорциональности b называется квантовым выходом фото-

ионизации, который определяет число пар носителей заряда (или число носи-

телей заряда при примесной фотопроводимости), образуемых одним погло-

Источник