- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 3
- •1.Волновая оптика
- •1.1.Световой вектор. Уравнение плоской световой волны
- •1.2. Интерференция световых волн. Условия, необходимые для осуществления интерференции
- •1.3.Условия максимумов и минимумов при интерференции световых волн
- •1.4.Интерференция в тонких пленках
- •1.5. Кольца Ньютона
- •Контрольные вопросы
- •Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция от одной щели.
- •Дифракция на одномерной дифракционной решётке
- •Угловая дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки
- •Угловая дисперсия равна:
- •Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке
- •Поглощение света
- •Поляризация света. Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация при отражении и преломлении
- •Двойное лучепpеломление. Поляpизационные пpизмы и поляpоиды. Явление дихpоизма
- •Вpащение плоскости поляpизации. Искуственная оптическая анизотpопия. Эффект Кеppа и его пpименение
- •1.Явления квантовой оптики
- •1.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа
- •1.2.Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина
- •1.3.Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка
- •1.4.Оптическая пирометрия
- •1.5.Квантовая природа света. Фотон и его характеристики.
- •1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.
- •1.7. Эффект Комптона
- •1.8. Коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света
- •1.9. Контрольные вопросы и задачи к разделу «Явления квантовой оптики»
- •2.Элементы квантовой механики
- •2.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •2.2. Соотношение неопределенностей
- •Волновая функция
- •Уравнение Шредингера
- •2.5.Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •Понятие о туннельном эффекте
- •1. Автоэлектронная (холодная) эмиссия электронов
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Здесь и совпадает с формулой радиуса первой боровской орбиты; численное значение этого параметра равно;a – множитель, который можно определить из условия нормировки волновой функции:
- •2.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •2.11. Спектр атома водорода
- •2.12. Распpеделение электpонов в атоме по энеpгетическим состояниям. Пеpиодическая система элементов д.И.Менделеева
- •2.13. Рентгеновское излучение
- •2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •2.15. Лазеры
- •1. Инверсия населенностей
- •2. 16. Способы создания инверсии населенностей
- •2.17. Положительная обратная связь. Резонатор
- •2.18. Принципиальная схема лазера
- •2.17. Линейный гаpмонический осциллятоp
- •3.6. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников
- •Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников
- •4.Зонная теория твёрдых тел
- •4.1. Энергетические зоны электронов в кристалле
- •4.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики в зонной теории твёрдых тел
- •4.3.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников
- •4.4. Примесная проводимость полупроводников
- •4.5. Равновесные концентрации носителей заряда в полупроводнике
- •4.6. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Электронно-дырочный переход
- •Внутренний фотоэффект
- •Воздействие излучения на полупроводник. Фоторезистивный эффект
- •Устройство и характеристики фоторезисторов
- •Применение фоторезисторов
- •Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.
- •Применение вентильного фотоэффекта
- •Биполярный транзистор
- •Состав и характеристики атомного ядра
- •Характеристики атомного ядра
- •Ядерные силы
- •Понятие об обменном характере ядерных сил. Кванты ядерного поля
- •Радиоактивность
- •Ядерные реакции
- •Деление атомных ядер
- •Элементарные частицы
- •2 Кристаллические решетки твердых тел представляют собой периодические структуры и являются естественными трехмерными дифракционными решетками.
4.4. Примесная проводимость полупроводников
В большинстве полупроводниковых приборов и микросхем применяют полупроводники, у которых проводимость обусловлена наличием в них примесных центров. Примесными центрами являются: атомы или ионы посторонних примесей, различные дефекты и искажения кристаллической решётки.
Примеси могут различным образом влиять на количество и тип носителей тока в полупроводниках. Они могут служить дополнительными поставщиками электронов в кристалл. В этом случае основные носители тока в полупроводнике – электроны, а примесный полупроводник называется электронным (или n-типа).
Атомы примеси могут быть центрами прилипания: они захватывают электроны валентной зоны. В этом случае основные носители тока в полупроводнике – дырки, а примесный полупроводник называется дырочным (или р-типа).
Различают примеси замещения и примеси внедрения. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, замещая собой атомы основного вещества, то такую примесь называют примесью замещения. Если же примесные атомы располагаются в междуузлиях, несколько раздвигая кристаллическую решетку, то такую примесь называют примесью внедрения.
В полупроводниковой технологии обычно используются примеси замещения. Концентрация атомов примеси обычно очень мала, поэтому они расположены в полупроводнике на очень больших расстояниях друг от друга, и вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала. Примесные уровни в обычном пространстве существуют лишь вблизи самих примесных атомов. Таким образом, энергетические уровни примесидискретны и локальны. На энергетических диаграммах примесные уровни располагаются в запрещённой зоне основного материала.
Рассмотрим более подробно возникновение примесной проводимости на примере решётки кремния.
1. Пусть один из атомов решётки кремния замещён атомом пятивалентной примеси (например, атомом мышьяка или фосфора, рис.4.10).
Четыре электрона примесного атома образуют ковалентные связи с соседними атомами; пятый электрон слабо связан со своим атомом и легко отрывается от него. Примесный атом при этом превращается в положительно заряженный ион.
Чтобы перевести электрон с примесного уровня в зону проводимости требуется незначительная энергия ΔEd << ΔE. Она называетсяэнергией активации примесной проводимости.Для кремнияΔEd=0,054 эВ, если примесь – мышьяк.
Атомы примеси в этом случае называютсядонорами, примесные уровни –донорными уровнями, примесная проводимость – проводимостьюn-типа, полупроводник –электронным.
Величина Ed равнаэнергии ионизации донора и равна энергии связи пятого валентного электрона с атомом донора.
Эта величина, как уже отмечалось выше, значительно меньше энергии ионизации собственных атомов (равной ширине запрещенной зоны). Поэтому в полупроводнике с донорными примесями при низких температурах преобладают электроны.
Кроме электронов, полупроводник n-типа содержит небольшое количество дырок, образующихся при редких переходах электронов из валентной зоны в зону проводимости (как и в собственном полупроводнике). Электроны в полупроводникеn-типа называютосновныминосителями заряда, а дырки –неосновными.
2. Пусть один из атомов решётки кремния замещён атомом трёхвалентной примеси (например, атомом бора, алюминия или индия, рис.4.12).
Для образования ковалентной связи недостаёт одного электрона. Недостающий электрон может быть захвачен у соседнего атома кремния. Примесный атом при этом превращается в отрицательно заряженный ион. На его месте образуется положительная дырка, способная перемещаться по кристаллу.
Примесный энергетический уровень в этом случае находится в нижней части запрещённой зоны (вблизи потолка валентной зоны, рис.4.13).
Чтобы перевести электрон из валентной зоны на примесный уровень требуется незначительная энергия ΔEа << ΔE. Она также называетсяэнергией активации примесной проводимости.Для кремнияΔEа=0,08 эВ, если примесь – бор.
Атомы примеси в этом случае называютсяакцепторами,примесные уровни –акцепторными уровнями, примесная проводимость – проводимостьюр-типа, полупроводник –дырочным.
Величина Eа равна энергии ионизации акцептора, она значительно меньше ширины запрещённой зоны. Поэтому в полупроводнике с акцепторными примесями при низких температурах преобладают дырки.
Кроме дырок, полупроводник р-типа содержит небольшое количество электронов. Дырки в полупроводникер-типа называютосновныминосителями заряда, а электроны –неосновными.