Физические основы полупроводников

Сдавался/использовался	2000г., МГКИП
	Загрузить архив:
	Файл: ref-25618.zip (498kb [zip], Скачиваний: 153) скачать

+Начло 4.9.00

Электроника - об. Науки изучающая и применяющая   взаимодействие электронов и других за ряженых частиц с электромагнитными полями в вакууме , газах , твёрдых телах с целью приёма , передачи , и обработки информации . Про образом современных электронных приборов стала.

1872--- лампа накаливания  Лодыгин

1900--- ПП – п/п диод-детектор Попов

1904--- электровакуумный диод Фельдманта

1907--- электровакуумный триод Ли-Де-Форест

1914--- первые электролампы в России

1930--- Систематические исследования свойств п/п Иоффе. Появления много сеточных и комбинированных ламп освоение отечественной промышленностью лучевых и фотоэллектических приборовположивших начало развитию телевидения .

1940--- доказано существованияp-nперехода Лошькарёв.

1948--- создание п/п транзистора Бардин и Брайтен

1957--- Туннельный диод

1958--- Интегральныё схемы

1965--- ИМ среднего уровня integer – (Целое число)

1870--- БИС

1980--- СБИС и функциональная электроника

1990--- развитие концепции к наноэлектронике.

5.9.00Строение атома, дискретность энергетических уровней e в атоме.

e.

С точки зрения квантовой механики частица и волна могут взаимно преврашяться

обладают карпоскулярноволновым дуализмом. Каждый квант света может передавать свою E отдельному e      E=h*ν    соотношение Планка     h=6.62*10^-34(Дж*с)        

h=4.5*10^-15(эВ*с)   постоянная Планка, волновые фотонов выражены равенством связи частоты излучены с длиной волны   ν=С/λ     С=3*10^8(м/с)      E фотона также можно определить из соотношения Эйнштейна   E=m*C^2      илиур.  Деброиля.λ=h/mc

Квантовое число e.

ŋ-главное квантовое число определяет Eeа также электрический уровень на котором находитьсяe , номер уровня (слоя) соответствует номеру периода в таблице Минделева.

1≤ ŋ≤7

ОбозначениеE   уровня	K	L	M	N	O	P	Q
значение	1	2	3	4	5	6	7

L – побочное характеризуетЕ ена под уровне а также форму электронного облака       0≤L≤ (ŋ-1)

Обозначения  подуровня	S	P	D	F
Значения-L	0	1	2	3

ПриL=0     S-орбита льL=1     P-орбита ль

mL-Магнитное квантовое число характеризует   ориентацию электронной

Орбитали в пространстве и число энергетических состояний на под уровне   -L:0:+L

mL всего может принимать (2L+1) значений

Пример1

L=0      mL=0                         S

L=1      mL=-1:0:1                  P

L=2      mL=-2:-1:0:1:2          D

L=3      mL=-3:-2:-1:0:1:2:3   F

Запрет Паульса в атоме не может быть 2е    у коихвсе 4 квантовых числа были бы одинаковы.

mS=+-½это спиновая  квантовое число оно характеризует вращениее  вокруг своей оси   

06.09.00

Эн. уровень	Эн. под.уро.	Магнитно Квантово число	Эн. под уро	Чис. Эн. Орбит на уровне	Чис..е на под уровне	Чис. е на уров	Формулы
Об ур	Зн    n	Об пу	Зна L
K	1	S	0	0	1	1	2	2	1S^2
L	2	S P	0 1	0 –1:0:1	1 3	4	2 6	8	2S^2,2P^6
M	3	S P D	0 1 2	0 –1:0:1 -2:–1:0:1:2	1 3 5	9	2 6 10	18	3S^2,3P^6, 3D^10
N	4	S P D F	0 1 2 3	0 –1:0:1 -2:–1:0:1:2 -3:-2:-1:0:1:2:3	1 3 5 7	16	2 6 10 14	32	4S^2,4P^6 4D^10,4F^14

7.9.00Расположениее   в атоме

1.Принцип наименьшей  Е

2.Правило Гунда

3.Запрет    Паули

1.Принцип наименьшейЕ

ев атоме распологаютья так чтобы иметь наименьшую  Е

1-е правило Клечьковского

При увеличении заряда ядра атома происходит последовательное заполнение орбита лей, а именно от орбита лей с наименьшим значениям суммы(n+L) к орбиталям с большим значениям суммы(n+L)

Пример1

         3d                     >                     4s

∑ (n+L)=3+2=5              ∑ (n+L)=4+0=4

Пример2

        3d                                              4p

∑ (n+L)= 3+2=5              ∑ (n+L)=4+1=5

ПО 1-е правило Клечьковского решить нельзя

2-е правило Клечьковского

При увеличении заряда ядра атома происходит последовательное заполнение орбита лей

В сторону увеличения главного квантового числаn

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d4p

Таким образом в Пример2с начало заполняется  3d а за тем4p

2.Правило Гундана под уровнее  рассполагаютьсятачтобы  былмаксимальныйспин

3.Запрет Паульса в атоме не может быть 2е    у коихвсе 4 квантовых числа были бы одинаковы.

08.09.00Классификация твёрдых тел в соответствии с зонной теорией

    При получении дополнительной Е  е   внешней оболочки атома теряют жесткую связь со своим атомом и начинают переешяться в обёме, станов6яться свободным носителями заряда.

    Свободная зона на уровнях коей могут находитьсяепри возбуждении называется зоной проводимости.

    Ближайшейразрешенной зоной в ЗП называется валентной зоной при Т=0К она полностью заполнена.

Твёрдые тела

          

В Меепринадлежат не отдельным атомам, а всему кристаллу это приводит к тому, что даже не большая Е возбуждает валентныее  внешнего Е уровня становятся свободны.

     В п/п ковалентные связи образуются когда соединяющиеся атомы имеют обшийеврашяются вокруг общих ядер при Т= 0К атомы кристаллической решетки п/п на в состоянии покоя при повышении Т возникают тепловые колебаниярешетки что приводит к разрыву связей и появлению свободных  е. Если сообщитьеЕ > /Ето он сможет перелететь из ВЗ в ЗП и принять участие в эл. токе.

Процессы протекающиев д/э.

      Схожи с прцесами в п/п различие лишь в ширине ЗЗ в д/э они на столько велики что при значительной Е воздействие, количество  еперемешённых в ЗП крайне мало.

      Качественное отличие п/п и д/э от Ме заключается в том ,что и п/п, и д/эпри Т=0К

ЗП пустует => проводимость отсутствуету Ме в результате взаимного перекрешьивания

ВЗ и ЗП даже при Т=0К в ЗП находиться значительное количество  еи проводимость имеетместо быть.

11.09.00ВЕРОЯТНОСТЬ

При сообщении кристаллической рищётки п/п дополнительной Еепокидают свой атом становятся свободными, такой переход в ЗП называют, эл. нейтральностью атома в результате чего появляитьсяне скомпенсированный+  заряд ядра равный по модулю заряду  е , такой + называется дыркой.

    Появлениеев ЗП означает, что п/п становится эл. проводящим, это эл. проводимость появляется в следствии нарушении валентных связей в кресале п/п и называется собственной эл. проводимостью (эл. проводностью)

    На эл. проводностью проводника существенное влияние оказывают внешние Е воздействия (свет,Т)

Статистика носителей заряда в твёрдом теле уровень Фельдмана в Ме и п/п.

   Эл. фаз. Свойства в значительной степени зависят от концентрации в нём носителей заряда при данной Т.

    В каждом конкретном случае существует наиболее вероятное распределения частиц по Е уровням котороеописывается с помощью функции указывающий на вероятность заполнения частичами данного Е состояния.

    Вероятность отношения количества исходов благоприятствующих событию к общему числу исходов 0≤p≤1

     При рассмотрении данного вопроса надо учитывать что общее число е в изолированном объёме п/п есть строго постоянно и = совокупности валентныхевсех атомов этие  рассполагаються по Е состояниям в зависимости от Т.

     Таким образом вероятность заполнения частицами данного Е состояния представляет собой среднее число частиц находящихся в данном Е состояние.

Распределение по Е уровням описывается ф-ияраспределения Фермана Дарка

Fe(E,T)=1/(exp((E-Ef)/kT)+1) (const Больцмана k = 0.86*10^-4[эВ/град] ,,, Е-Ее на уровнях,,,

Еf-энергия Ферма )

Вероятность заполнения Е состоянияе  выражается в долях единицы так: если на уровне находиться 2ето вероятность заполнения = 1, а если уровень свободен то 0. Ef=1/2

12.09.00Уровень Ферма в Ме

Согласно зонной теории последней разрешенной зоной в Ме заполниться уровень

Не полностью при Т=0kедолжны.находиться на уровнях соответствующих минимальной Е.

fe=1 последними заполниться Ef это максимальная Е ,кою могут иметь  ев Ме при Т=0k

Распределения Ферма Дарка дляев Ме

Все уровни расположенные выше уровня Ферма при Т=0k имеют функцию заполнения =0

    При увеличении Т частьепереходит наиболее высокий Е уровень : таким образом, часть уровней находящихся выше уровня Ферма окажется занятой.

    Чем выше Т тем шире об. уровней сосредоточатся  функциявероятность = ½

     При Т≠0k часть  еможет переходить из ВЗ в ЗП , в ЗП появляются уровни с вероятностью отличной от единицы переходе  может осуществляться только на уровне расположенном близко к зоне проводимости с уровней расположенных близко к ВЗ.

14.09.00 Эл. проводимость тт

Количественная мера проводимости служит величина удельного сопротивления.

Ме	Д/э	П/п
10^-6…10^-4 [Ом*см]	10^10 [Ом*см]	10^-3…10^10 [Ом*см]

    Эл. токв тт это направленный поток носителей заряда которое накладывается на их хаотическое движение.

    Расстояние пройденное   е, ионом ,дыркой без столкновения с узлами кристаллической решётки есть длинна свободного пробега.

    На длине свободного пробега   едвижиться ровно ускорено при чём скоростиемогут  быть разными численное значения , но суммарный вектор движения е без эл. тока=0

    В Ме скоростиепрактически не зависят от Т, а в п/п с увеличением Т возрастают.

a=(Fe)/m=(eE)/m   (е-1,6*10^-19 Кл … Е напряжённость … a ускорение)

Vср.=(1/2)*(eE/m)*τ=μE [Ť-тау время жизни носителей заряда]

μ=(е* τ)/(2*m)

     Эл. проводимость(Ğ)

Ğ=е*n*μ [м^2/В*с]

18.09.00 Эл. проводимость п/п

Собственные п/п - в которых отсутствуют примеси или их влияния на свойства п/п пренебрежительно мало.

      Переход  еиз ВЗ в ЗП сопроваждается появлением электронно-дырочной пары называется процессом генерации сей процесс обратим, в рекомбинацию- нейтрализация электронно-дырочной пары.

      В состоянии тэрмодинамического равновесия скорости генерации и рекомбинации численно ровны.

       Носители заряда возникшие в результате Т колебаний называются равновесные носители заряда.

Ği=Ğn+Ğp --- --- --- Эл. проводность собственного п/п.

n=p=niμ=(Ť *e)/(2m)    μn>μpĞ=enμ Ğ1=en1(μn+μp)

n=Nc*exp((ΔE-Ef)/(kT))Nc-плотность Т состояния в ЗП

Nc=2((2πmnkT)/n^2)^(3/2)    mn- эффектная массае

Концентрация дырок в ВЗ собственного п/п p=Nvexp (ΔE-Ef/KT)

Nv-плотность состояний в ВЗ

mp-эффективная масса дырки

Nv=Nc

19.09.00

После уходаеоставшийся в атома положительный заряд но из-за сильных валентных связей не перемищяется , кристалл в целом остаётся эл. нейтрален.

        Примеси способные отдавать в ЗП   е   называются донарными.

При введение таких примесей в п/п концентрация  евозрастает,

а концентрация дырок остаётся неизменной.

п/п у которого основными носителями заряда есть  еназывается п/п n-типа.

В легированных п/п есть примесная проводимость то есть переносе  примеси. Донарные примеси образуют локальныйЕ  уровень расположенный ниже дна ЗП выше дна ЗЗ, так как донарныме  требуетсяменьше Е для перехода в ЗП.

Е активной примеси- минимальнаяЕ требуемая для элю проводимости.

Е активации доноров- Е требуемая для перехода  ес Едв ЗП.

При Т+k это делают все е .

GeЕакт = 0.01 эВ

Таким образом при Т=300k конденсацией собственных носителей заряда можно пренебречь всее  Eдзаполняют ЗП.  nn≈Ng

Ğ=eNnμn--- Эл. проводимость п/п n-типа при T=300k

п/п в которых основными носителями заряда   являются дырки есть

п/п p-типа

В качестве лигируещей примеси используется элементы 3 гр. (In, Ga, Al, B)

Акцепторы – примеси способные принимать на свои уровние .

При привлечение в п/п акцепторов концентрация дырок резко возрастает

Ğ=eNа μpЭл. проводимость п/п p-типа при T=300k

25.09.00 Частично компенсированные и компенсированные п/п, выражденные п/п.

При изготовление ПП и ИМ часто в п/п вводят и акцепторные и донорные примеси: таким образом в ЗЗ образуются и донорный и акцепторный уровни.

В реальных структурахNа≠Nд

При Nа>Nд полезными то есть способными оторватьев ЗП есть только (Nд-Nа) донорных атомов, остальные донорные атомы отдают свои лишниее   на уровни акцепторов образующих равное количество [-] акцепторов и [+] донорных йонов.

При Nа

Компенсировными называют п/п с равными концентрациями акцепторной и донорной примеси.

Выражденые

Обычно в примесных п/п концентрация примеси не велика а взаимодействием примесных атомов можно пренебречь локальны уровни расположены близко к друг другу их можно считать единым примесным уровнем с единой Е активации, при увеличении примеси расстояние меж атомами уменьшается и происходит перекрывание электронных оболочек

Атомы взаимодействуют друг с другом, что приводит к расширению Еп в пространстве и превращение в зону.

Выражденым п/п Ef коего расположенв ЗП ВЗ или ЗЗ в пределах E=kT от её границ.

26.09.00 Закон действующих масс

В собственном п/п ni=pi добавление примесей в п/п сопровождается увеличению концентрации одного типа носителей при одновременном уменьшение концентрации другого типа этот процесс и описывает закон действующих масс.

np=ni^2≈pi^2

для п/п n(типа)

p<

Nд exp(-(Ef-Eд)/kT)=Ncexp(-(∆E-Ef)/kT)           Ef=(Ef-Eд)/(2-(kT/2))*Ln (Nc/Nд)

Видно что при T=0k, Ef находиться по середине меж Ед и Ес.

Подставив (Efn) в выражение для концентрации получим:

n=(Nд*Nc)^½*exp(-(∆E-Eд)/2kT)c увеличением Т увеличивается и n до тех пор пока все доноры не будут заполнены. n = Nд

Nд=Nc*exp(-(∆E-Ef)/kT)    Efn=∆E-kT*Ln(Nc/Nд)

для п/п p(типа)

p=(Nа*Nv)^½*exp(-(∆E-Eа)/2kT)

Efp=(Eа/λ)-kT*Ln(Nа/Nv)

Зависимость положения Ef от концентрации примеси и Т.

В частично компенсированных п/п

положение Еf зависит от степени компенсации.

27.09.00 Зависимость nиμ носителей заряда от т.

n-типа

концентрация   ев ЗП

n=Nд exp(-(Ef-Eд)/kT)

При низких Т

Пренебрегая  переходамие изВЗ в ЗП имеем.

n=Nс*exp(-(∆E-Ef)/kT)=Nд*exp(-(∆-Ef)/kT)                     Ef=(Ef-Eд)/2-(kT/2)*Ln (Nc/Nд)

СростомТ , ne     возросстают ипри определённых Т все примеси оказываются ионезированны, но переход из ВЗ ЗП ещё не наблюдается, таким образом существуетТ интервал в котором концентрацияев ЗП остаётся неизменной такой интервал называют областью примеси.

росте ТnЗП увеличивается.

n=(Nд*Nc)^½*exp(-(∆E-Eд)/2kT)             n=Nc*exp(-∆E/2kT)

1.Примесная эл. проводимость.

2.Участок истощения примеси.

3.Собственная эл. проводимость.

4.Выражденая (то есть  енаходящиеся в ЗП)

₪…….μ.

Повинность носителей заряда определяется механизмом рассеяния

Механизм рассеяния
НА ИОНЕЗИРОВАННЫХ ПРИМЕСЯХ	НА ТКОЛЕБАНИЯХ КРИСТАЛИЧЕСКОЙ РЕЩЕТКИ
При падение Т , так как Т пренебрегаем создаётся электростатическое поле возникает кулоновское взаимодействие траектория   изменяется. μ =(eVт^4)/2mVт         Vт↔Т^½	С увеличением Т влияния этого вида рассеяния повышается а затем он становится преобладающим. μ ≈Т^(-3/2)

   MAX кривой обратно пропорционален концентрации примесии соответственно Т примеси.

       Зависимость эл. проводимости п/п

               LnĞНа участке истощения примеси эл. проводимость

зависит от механизма рассеяния носителей заряда.

На участке примесной эл. проводимости.

Ğ↔exp(-Eакт/2kT)

На участке собственной эл. проводимости.

Ğ↔exp(-∆E/2kT)

Учитывая эти зависимости можно определить величину ∆Е п/п и Еакт.

Lg Ğ

                        Ği= e(μn+μp)ni= e(μn+μp)Nc exp(-ΔE/2kT)=A exp(-ΔE/2kT)

                                   tg λ=(∆Lg Ği)/(∆1/T)     A= e(μn+μp)Nc

              λ

                        1/T

02.10.00 Влияние сильных полей на проводимость п/п.

ĵ=ĞE=enμ

При воздействии на п/п сильных полей закон ома становиться не верен.

Напряжённость поля при которой Vтепл.=Vдвиж. Называют критической.

Екр=3/2*(k*T/e*L)         L –длинна свободного пробега

Поля E< Eкр есть поля слабые ,а E> Eкресть поля сильные.

При Е=10^3…10^4 (В/см)

С увеличением Т влияние термоэлектрической ионизации уменьшается.

Еслиене обладает достаточной энергией для того чтобы перейти потенциальный барьер   то при Е=10^6 В/см наблюдается туннельный переходес Еп в ЗП, что и есть эффект термоэлектронной ионизации.

Ударная ионизация.

Под действием поля напряжённостью 10^4…10^6 подвижныее                                                                                         могут выбивать Е достаточную для выхода  еиз ковалентной связи.

Электро статическая ионизация.

Сильные поля вызывают наклон энергетических зон то есть туннелированние

5.10.00 Контактные явления в п/п.

Работа выхода.

Термодинамической РВ называют Е требуемую для переходаес Еf в вакуум, если величину такой работы отсчитывать от дна ЗП то говорят о внешней РВ.

ИстинойРВ – называют РВ которую требуется совершитьедля перехода из ВЗ в вакуум.

(fк)

1.Ef в Ме расположен в частично заполненной ВЗ

Пусть АМе>Ап/п, тогда будет преобладать токеиз п/п в Ме .

Ме заряжен [-] а п/п [+] меж ними у границ контакта возникают объёмные заряды а стало быть и контактная разность потенциалов.

fк

Из-за ушедших в Мее  в при контактное соединение п/п образовались [+] не скомпенсированные заряды (ионы), возник слой обеднённый основными носителями заряда с высоким ‘R’ запирающий слой.

В объёме п/п f спадает по expонинциальному закону.

f=f0*exp (-x/L0)              (f0 – на границе с Ме)

Ld может принимать величину ОПЗ.

Ld=sqr(E*E0*k*T/n0 * e^2)E0=8.85*10^-14(Ф/см)Е- де. Эл.

проницаемость среды. n0 равновесное за пределами ОПЗ. Появление ОПЗ вызывает искривление Езон.

Пусть Аме<Ап/п

d'0 – антизакрываюший слой когдаепереходят из  Ме в п/п ,в приконтактную область Ме образуются [+] а в п/п [-] заряды возникает слой обогащённый основными носителями заряда с

низким ‘R’ называется

антизапираюшим.

Прямое включения контакта Ме п/п.

Происходит увеличение (n-основ.) в при контактной области за счёт прихода  еиз цепи, ширена ОПЗ уменьшается вместе с ‘R’контакта.

                                9.10.00 Обратное включение Ме п/п.

                                                                      

Источник включён так что Евн совпадает сЕк ширена ОПЗ увеличивается вместе с R контакта, из-за того чтов Мее   находятся в состоянии электронного газа они как бы более плотно укладываются на единице площади а по сему ОПЗ значительнее удалена от границы n-p перехода в сторону п/п нежели Ме.

Электронно дырочный переход (p-n) переход основной элемент современных микро схем . Переходный слой меж п/п разного типа проводимости .

Градиента- есть разность.

Основные е и дырки могут переходить через границу об. это происходи до тех пор пока n об. не зарядиться [+], а p об. [-] образуя Ек мешающеепродвижению основных носителей заряда и вместе с тем Ек затягивает не основные носители заряда образуяIдиффундиционный

Iдиф=Iдиф n + Iдиф pIдиф p = eDp (- ∆p/∆n)     

Dp коэффициэнт диффузии дырок.                Dp=(kT/e) μ n

Происходит образование объёмного заряда в области контакта fk.

Пространственные заряды вp-n образуют Ек препятствующие диффузии основных носителей заряда в соседнюю область.

      Пройти через переход способны лишь те носители зарядаТ   энергия которых позволяет преодолеть fk.

      Не основные носители заряда приближаютсяк переходу совершая Т движение где их захватывает Ек и они     переходят в соседнюю область.

I0=I0n+I0p          Ip-n=Iдиф-I0

В состоянии тэрмодинамического равновесия ток через проводник =0

TDp

Ip-n=0         Iдиф=I0

dp-n=SQR( ( (2 * ξ * ξ0 * (fk-U) ) /e) * ( (1/Nд) + (1/Nа) ) )

12.10.00…13.53 Обратное p-n включение.

Источник включается так чтобы направление Ек совпадало с полями Uвн. Поля складываются потенциальный барьер возрастает, количество носителей заряда способных преодолеть поле уменьшается и Iдиф падает.

      Основные носители заряда под действием Uвноттягивает от при контактных слоёв в голубь п/п, ширина запераюшего слоя увеличивается.

Iдиф- ток  еиз ‘n’ об., и дырок из ‘p’ об. при Uвн=0

ßIp-n=I0*exp(-(e*U )/(k*T))-1

Прямое включение.

Iдиф=Iдиф0*exp((e*U )/(k*T))

Источник подсоединяется так чтобы Евн было встречно Ек барьер уменьшается диффузия основных носителей заряда через переход облегчается и во внешней цепи возникает     ток ≈ Iдиф/

Концентрация носителей заряда в при контактной об. p-nвозрастает  ширена (З слоя)↓

Сб=S*√(ξ ξ0 e N /2 (fk-U))

UпSi=0.6 B

UпGe=0.3 B

16.10.00…12.21 Классификация p-n перехода

p-n переход в зависимости от соотношения меж шириной ОПЗ и истощённым слоем в котором происходит изменения концентрации и типа примесных атомов на резкие и плавные.

Резким называется переход в коем толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше ОПЗ

Плавный есть переход в коем толщина области изменения примеси сравнима с толщиной   ОПЗ.

17.10.00…11.15

n-p в зависимости от соотношения Nд иNа в n и p областях переходы подразделяются на симетричные и   не симетричные.

На практике используются не симетричные переходы в которых концентрации отличаются в 100-1000 раз.

Глубина и проникновения перехода тем больше чем больше ρ п/п в соответственно меньшей степени легирования.

dp/dn =Na/Nд          d0=√ (((2ξξ0 fк)/e)*(1/Na + 1/Nд))    ширена резкого симетричного перехода

ширена перехода определяется областью с большим ρ и вычисляется ↓

Na<	d0=√ ((2ξ ξ0 fк)/ (e Nд))
Na>>Nд	d0=√ ((2ξ ξ0 fк)/ (e Na))

Fк=(Efn-Efp)/2=(kT/e)*Ln(Pp*Nn/Ni^2)

Обратноевключениеàn=n0*exp(-(e(fк+Uвн))/kT)                             p=p0*exp(-(e(fк+Uвн))/kT)

Прямоевключениеàn=n0*exp(-(e(fк-Uвн))/kT)                                p=p0*exp(-(e(fк-Uвн))/kT)              

Изменения высоты потенциального барьера приводит к изменению перехода

dp-n=√ ((2ξξ0 fк(fк+-Uвн)/(e*Na[д]))=d0√ ((fк+-Uвн)/fк)

Ingeсt-впрыскивание                               

Омические переходы12.00

Электрические связи меж эл прибором и внешней цепью требуют ↓

1. R ↓ ↓

2. Отсутствие Ingeсt

3. Линейный ВАХ

4. ↑ Теплопроводность

5. Близкий ТКЛР Ме и п/п

6. Реально прочность.

12.25

Потенциальный барьер для е n+снижается замешается ток обусловленный основными носителями заряда

В n слой ingect дырки, но Nn+ ↓ а по сему им можно пренебречь.

Эффект Холла.19.10.00

Если образец п/п по которому течёт ток поместить в магнитное поле направленное перпендикулярно току то внутри образца п/п возникнет контактная разность потенциалов направленная перпендикулярно току и магнитному полю. На любую заряженную частицу движушаюся в магнитном поле действует сила Лоренца

направление перпендикулярно направлению движения заряженных частиц и направлению магнитного поля.

FL=eυB      B-магнитная индукция   υ-скорость   Направление FL определяется правилом левой руки.

Под действием FL е  оттягиваются к одной стенке образца заряжая его [-], а противоположная сторона заряжается [+]

Перпендикулярно к образцу возникает

1. Холловская разность потенциалов.

2. Эл. поле припятствуюшие разделению зарядов магнитным полем.

Fэл=eEx=(L Ux)/b

Ex называют напряжённостью электрического поля в ширине образца отклонениеэлектронов продолжается до момента пока FL=Fэ из данного равенства определяем   Ux

е υ B=eEx =(e Ux)/b

Ux=υ B b

Плотность тока проходящая через образец ↓

Ј=I/S=I/bd

S=bd пл. поля сечения образца.

Ј=pn υ                        υ = Ј/en=I/(e n bd)

U_x=( I/(e n bd))Bb=IB/e n d

Пусть 1/е n=RxRx-постоянная Холла

Ux=Rx(IB/d)

С чего понятно, что Ux зависит от величины проходящего через образец тока, величину B, толщинуобразца и концентрацию носителей заряда в нём.

Ежели основными носителями станут дырки, то Ux изменит знак, так как заряды на стенкахобразца поменяются местами.

R_Xn=-1/en                 R_Xр=1/eр

Учитывая все υ для носителей заряда, следует брать усреднённое значение скоростей введя в формулу числовой для Rx множитель.

R_Xn=-3 π/8en                       R_Xp=3π /8ep

Для описания боле общего случая в водиться не эффектная А=1,93…0,99 зависит от механизма рассеяния примеси.R_Xn=-А/en                R_Xр=А/eр

Эффект Ганна 23.10.00

GaAs с кристалла графической ориентацией [100]

Эффектные массы различаются, в области нижней долины   е   лёгкие m*₁ =0.068 m₀   ,в области высокой долиные  тяжёлые

m₂ =1.2 m₀ , соответственно μ₁ = ≈ 4000 – 8000м²/В*с

μ₂ = ≈ 100   м²/В*с

N_C2 примерно в 70 раз выше чем N_C1таким образом возможен переход из нижней в верхнюю долину, такой вид рассеяния называют меж долинным

Пусть

“n” концентрацияе.

“n₁” концентрацияeв верхней долине.

“n₂” концентрацияeв нижнейдолине.

“E" слабое э поле.

Тогда эл. проводимость образца определяется. à Ğ₁=en₁μ₁=en1 υ 1 E1

24.10.00

При увеличение напряжённости поля доЕ₂ энергияе ↑ и часть их переходит в верхнюю долину также принимая участие в электрическом токе.

J₂=en₂μ₂= en₂υ _ср E₂                                                                                                           υ _ср(2)=((μ₁* n₁+ μ₂* n₂)/ n₂)* E₂

Учитывая что n₂= n-n₁ è               υ _ср=( μ₁- n₂/n*( μ₁- μ₂))* E₂

Чем большее переходит в верхнюю долину то есть n₂↑ тем υ _ср ↓ и соответственно ĵ=enμ ↓ .

При достиженииЕ значения Екр всее  нижней долины и преодолеют порог ∆ E’ и перейдутв верхнюю. Ğ₂=en₂μ₂ из чего υ _ср ↓↓   J↓↓

0A—Е мало       I=f(U) близок к линейной

AB—Е2 ощутимо наблюдается переходе из нижний долины в верхнюю υ _ср ↓                         I=f(U) нелинейной

BC—Екр велико все е   перешли в верхнюю долину

υ _ср ↓ ↓это участок дифференциального сопротивления

CD—Е_max    υ _ср ↑    ĵ ↑                 

Рассмотрим двух долинный п/п с локальной неоднородностью.

В однородных п/п электрические поля одинаковы по всей длине п/п есть локальные не однородности с повышенным сопротивлением таким образом на этом участке образца Е будет выше а значит Екр Возникает в первую очередь именно в этом сечение образца и как следствие именно в этой области раньше чем в других областях будет наблюдаться переход  ев верхнюю долину но в верхней долин υ _ср ↓   ĵ ↓   μ↓=> R ↑ , с напряжением Е в этом месте п/п снова ↑вызывая ещё более интенсивный переходе в верхнюю долину однако так как Е приложенное к образцу постоянно то напряжённость справа и слева от локальной не однородности падает.

электрическим доменом.

В области не однородного поля возникает зона тяжёлыхес большой эффективной массой эта область под действием поля движется к аноду с право и с лево от области тяжёлыхе а по сему здесь образуется избыточный [+] заряд с лева они накапливаются образуя избыточный [-] заряд. Внутри долины Е ↑↑ значит скора движениее в нём вне домена Е ↓

Станет состоянием покоя.

υ_домне е=υ_{вне домены}

                                   μ₂Е_д = μ₁Е_внед

25.10.00

Пока домен движется по кристаллу ток MIN и постоянный достигнув анода домен рушиться а ток резко возрастает к моменту полного разрушения домена затем образуется новый домен, причём на любой не однородности кристаллаа ток мгновенно падает до MIN и процесс циклически повторяется таким макаром можно получить высоко частотные колебания.

Применения

1. Мощных ультра звуковых колебаний

2. Для модуляции светового потока

3. Для создания оптоэлектронных и акустоэлектронных приборов

Достоинства

Широкий диапазон рабочих частот (от долей герц до тысяч гика герц) Возможность использования в режиме ограниченного накопления объёмного заряда.

Недостатки.

Необходимость использовать изначально чистых и однородных образцов. Сложная технология создания не однородностей.

Термоэлектрические явления эффект Зеебека.

Суть: Возникновение термоэлектродвижущей силы (Т ЭДС) в цепи состоящей из 2 или более п/п места соединения коих находятся при разных Т.

Пусть имеется два образца различных веществ находящихся в состояние контакта, если Т контактов различна Т и Т+dТ то в замкнутой цепи возникает ток называемый термоэлектрическим, если разорвать цепь в произвольном месте то на образовавшихся контактах возникнет термоЭДС.

Разность потенциалов dE₁₂ в разомкнутой цепи зависит от рода материала (λ ₁₂)

и разности Т (dT)/

dE₁₂= λ ₁₂* dT

λ ₁₂- это коэффициэнт Т ЭДС это величина возникающая при единичной разности Т

λ ₁₂ и dE₁₂ положительны.

Если потенциал горячего контакта выше холодного ????????????????

Если dE₁₂>0 то ток пойдёт по часовой стрелке и соответственно обратно.

Рассмотрим физику Т ЭДС.

На контакте Ме Ме, в любой системе находящемся в состоянии ТДР Еf имеет единое значение для всех точек кристалла таким образом при контакте двух Ме их Еf должны совпасть.

Если же n в этих двух Ме различна то Еf в различных частях системы будет иметь различное положение, и соответственнона границе раздела двух Ме возникает потенциальный барьер называемый внутренней контактной разностью потенциалов Uⁱ

Uⁱ разностью положения Еf в металле.  Uⁱ=(Е_f1- Е_f2)/l  Если цепь состояшюю из двух Ме замкнуть то Uⁱвозникает не обоих контактах. Направление поля от большего Ef к меньшему. Совершив обход по контуру имеем результирующую

Поля=0.

Пусть Т одного контакта измениться dT то Uⁱ измениться только на этом контакте, так как Еf зависит  от Т и Uⁱ электрическое поле на этом контакте, баланс системы нарушается и в замкнутой цепи возникает ЭДС.

30.10.00Эффект Пелтье.

Электро термический эффект суть его в выделение и поглощение энергии на контакте двух веществ при пропускании через них электрического тока. При пропускании через контакт электрического тока, на нём в зависимости от направления поглощается или выделяется энергия и dQ₁₂=П₁₂*I*dt

П – коэффициэнт Пелтье …Q – количество теплоты

Физика эффекта

Пусть имеется контакт Ме п/п в Меес Е близкой Еf в п/п n-типа основные носители зарядае_зп

Средняя Ее проводимость в п/п > чем в Ме на (Ес-Ef), для перехода свободныхеиз Ме в п/п им не обходимо преодолеть потенциальный барьер с Ене меньше чем (Ec-Ef) для этогое   необходима Е кою они могут получить лишь от кристаллической решётки Ме, что ведёт к охлаждению контакта. При изменении направления протекания тока   еиз п/п в Ме отдавая(Ec – Ef) кристаллической решётке Ме, что ведёт к нагреванию контакта.

Второе толкование.

Ек возникающая на контакте двух веществ. Либо способствует либо препятствует прохождению через него тока если ток течёт против контактного поля то источник затрачивает дополнительную Е проявляемую в виде Т, а если ток течёт по направлению поля то он поддерживается работа по пере дислокациие  совершаетсяЕкнеобходимая для этого Е отбирается у атомов материала что приводит к его охлаждению.

31.10.00Эффект Томсона.

Это явление выделения или поглощения энергии в Ме или п/п, обусловлено градиентной температур при пропускании тока через образец.

Суть его:

Ежели п/п нагреть не равномерно то концентрация свободных носителей заряда будет больше в нагретой нежели а не нагретой области из чего видно что градиента температур прямо пропорциональна градиенте концентрации свободных носителей заряда.

Iдиф.  нарушает электро нейтральность образца, а разделение зарядов порождает электрическое поле припятствуешее этому разделению.

Таким образом если в Ме есть градиента температур то в нём образуется объёмный электрическое поле.

Если направление внешнего тока противоположно Ек то Евн должно совершить дополнительную работу приодалеванния внутреннего поля эта дополнительная энергия нагревает контакт.

Эффект Джоуля Ленца.

Если же направления внешнего тока и тока контакта совпадают энергия перемещения зарядов берётся из узлов кристаллической решётки что само по себе охлаждает контакт. Q_T=Ť (T₁-T₂)*I*t

Ť- коэффициэнт Томпсона

В замкнутой цепи контакта из разных материалов при наличии границы температур возникает сразу три эффекта а именно Пелтье Зейбека и Томпсона.

Граница температур создаётся ТЭДС.                  λ₁₂=П/Т        dλ₁₂/dT=(Ť₁-Ť₂)/T

03.11.00Поверхностные явления, природа поверхностных явлений.

При рассмотрении кристаллической структуры твёрдых тел в частности п/п, строения кристалла идеализированно и геометрические размеры кристалла, а состояния его поверхности не учитывалось вовсе.

В идеальном кристалле сохраняется строгое периодичность потенциала.   Однако наличие в реальных кристаллах размеров приводит к появлению определённых особенностей в спектре разрешённых состояний электронов поверхность с точки зрения физики – нарушения периодичностипотенциала , поверхности в кристалле учёный Тамма показал, что обрыв периодичности на поверхности приводит к появлению локальных состояний энергетических уровней кои располагаются в ЗЗ такие состояния называются поверхностными или уровнями Тамма.

¹⁵ атом/см² плотность поверхности атомов. На поверхности реальной структуры всегда есть посторонние атомы и молекулы адсорбированных поверхностью из травитилей окружающей среды, а также окисные плёнки возникающие на поверхности.

Все эти факторы приводят к появлению на поверхности состояний. Коими могут выступать как   акцепторы так и доноры. Если на поверхности есть донорные состояния то при отдачиев ЗП поверхность зарядиться [+], если же на поверхности акцепторные состояниято поверхность зарядиться [-].

Несмотря на все выше указанные явления кристалл в целом остаётся заряжен нейтрально.

04.11.00

Пример                                                                     S-Surface

Пусть п/п (n-типа) с акцепторным уровнем Es на поверхности.

Es заполняется  е и поверхность заряжается

[-], а приповерхностная область соответственно обедняетсяеи заряжается[+], таким образом образуется два слоя заряженных равно по величине но противоположно по значению, хотя в целом кристалл остаётся нейтрален. Из-за второго слоя возникает электрическое поле‘Е’, направленное к поверхности п/п, именно это поле вызывает изгиб энергетических зон в верх. Пусть величина изгиба     е f_s   .

8.11.00

инверсия – обратная

В приповерхностном слое п/п может быть область обеднённая основными носителями заряда имеющая значение Ğ < чем в объёме кристалла (1), также возможно возникновения слоя с изменённым типом проводимостикои называетсяинверсионным слоем.

Вывод à  

При проектировании ПП и ИМ, а также при проведении восстановительных операций технологических процессов  необходимо учитывать влияния обработки или состояния поверхности, на электрофизические свойства будущего прибора.

Явления адсорбции на поверхность п/п.

В процессе изготовления любого ПП или ИМ поверхность исходного материала неизбежно соприкасается с внешней средой, что приводит к адсорбции поверхностью частиц в этой среде. Адсорбция частиц серьёзно влияет на электрофизические свойства поверхности и в частности на образования поверхностного заряда.

Поверхности веществ различны по химическому составу и качеству обработки. Поверхности имеют различную адсорбционную способность характеризуемую   концентрацией центров адсорбции и энергией связи адсорбированных частиц с центрами адсорбции.

Центры адсорбции – дефекты поверхности кристалла причём свойства дефектов после адсорбированных частиц могут меняться, и тогда центрами адсорбции могут стать сами в недавнемадсорбированные частицы.

Виды адсорбции.

1.Физическая адсорбция:

Адсорбированные частицы удерживаются на поверхности силами _˜ 0.01…0.1 эВ электрического притяжения.

Объёмная адсорбция (химическая):

Адсорбированные частицы обмениваются свободными носителями заряда с поверхностными атомами, происходит химическое соединение частиц с твёрдым телом.1 эВ

ХЕМОСОРЦИЯ
Слабая	Сильная (прочная)
адсорбированные частицы электро нейтральны свободные носители заряда твёрдого тела в связи не участвуют.	n-связь акцепторное адсорбированние частица захватывает свободный е твёрдого тела.	p-связь донарное адсорбированние частица захватывает свободные дырки твёрдого тела.

Прочная хемосорция изменяет заряд поверхности, кристалла степень хемосорции зависит от природы хемосорции частиц, степени заполнения частицами поверхности, положением уровня Ферми.

При смещении уровня Ферми к ВЗ, способность поверхности адсорбировать растёт.

Положение Еf также влияет на величину поверхностного заряда вероятность возникновения прочной или слабой связи обратимость процесса адсорбции однако положение самого Ef на поверхности определяется периодом и количеством адсорбированных частиц, что указывает на взаимно связь всех выше перечисленных факторов.  

    Как правило хемосорция не обратима так как десорбция заряженных частиц мало вероятна а при образовании устойчивого химического соединения с поверхностью и вовсе не возможно.

Пример1:

Адсорбция воды (процесс обратимый) центры адсорбции возникают на не заполненных связях поверхности атомов, а после заполнения связи центрами становятся сами молекулы воды, возможна обратимость как донорных так и акцепторных уровней.

Пример2:

Адсорбция кислорода (трудно обратима) образует на поверхности п/п акцепторные уровни за счёт эл. проводимости п/п   (n-типа)↓ а (p-типа)↑, очистка поверхности от адсорбированных атомов кислорода осуществляется, высоко температурным отжигомблагодаря чему с поверхности удаляется моно оксид.

17.11.00 Эффект поля.

Эффектом поля называется изменение проводимости п/п образца под действием эл. поля перпендикулярного (нормального) к поверхности. Для измерения эффекта поля  часто используются МДП структуры (Ме,д/э,п/п).   

1.затвор (Ме)

2.д/э

3.п/п

4.Оммический контакт исток

5.Оммический контакт сток

Экспериментально снимается зависимость проводимости образца от температуры. U приложенного к затвору, тогда индуцированный в п/п заряд Qинд=Сд/э Vд/э Подвижность носителей заряда определяют μ_эп=∆C/∆QиндОтношение приращения проводимости к полному индукционному заряду.

Физика работы: При приложении к затвору потенциалу в приповерхностнойобласти п/п происходит, в зависимости от f знака на затвореодин тип носителей оттесняется в глубь образца, вместе с тем притягивается другой тип носителейзаряда, в результате образуется приповерхностный слой с инверсным типом проводимости, величина его будет зависеть от потенциала, материала п/п и степени легирования.

Применения: эффект поля применим при изготовлении МДП и полевых транзисторов.

201100Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)

Суть эффекта – изменения сопротивления под действием М.П, по образцу п/п течёт Холловский ток.

l.

В ограниченном  образце п/п Холловское поле компенсирует МП в результате чего носители движутся прямолинейно как бы не испытывая действия МП, однако сопротивление МП есть, так как Холовское поле сможет компенсировать магнитное только в отношении носителей движущихся со средней скоростью. Реально существующих п/п скорости носителей заряда различны, и (быстрые носители заряда скапливаются в одном из четырёх углов вторых по ходу внешнего тока, а (медленные)соответственно в одном из восьми. Таким образом в клад в выходной ток быстрых и медленных носителей падает а сопротивление росстёт.

21.11.00

Магниторезистивный эффект, чувствителен как кформе образца так и к взаимному расположению и направлению линей магнитной индукции и тока проходящего через образец, учитывая форму и геометрические размеры образца.

Следует:

1.В не ограниченном образце (диске) ток имеет разделительный характер и  отклонения носителей заряда под действием магнитного поля, происходит в направлении перпендикулярном радиусу. Таким образом разделения и накопления зарядов не возникаетХолловсчкого поля нет.

2.В ограниченном прямоугольном образце имения магнита сопротивления существенно зависит от отношения длинны к ширине образца. Учитывая влияния взаимного расположенияфакторов имеем:

Если:1. B | |J

То проводимость п/п симметрично зонной структуре не меняется, то есть проводимость магнита сопротивления равна нулю.

Если:2.B ┴ J

То поперечное магнита сопротивление оно пропорционально квадрату индукции и квадрату поверхностного заряда количественной характеристикой служит коэффициент магнита сопротивления                           H = 1/B²=(ρ-ρ₀)/ρ₀

Вывод:

При моделировании и конструировании магнита резистивных приборов следует учитовать геометрические формы приборов и соотношение, направление сторон и силовых линий магнита индукции.

Спектр поглощения п/п, квантовый выход.

Собственное есть поглощение при коемепереходят из ВЗ в ЗП.

Примесное есть поглощение при коемепереходят с примесных уровней в ЗП либо из ВЗ на примесные уровни.

Поглощённая энергия ∆I количество пропорционально интенсивности падающего на него излучения.

I= - Λ I ∆Х∆I/∆X= - ΛI

Спектр поглощения – есть зависимость “Λ” от длинны волны илиэнергии падающего света.

Спекр поглащения состоит из областей собственного и примесного поглощения чётко ограничен красной границей фотоэффекта это есть минимальная энергия фотона кою может нестиеп/п из ВЗ в ЗП, Переходевозможен с любых уровней ВЗ на любые уровни ЗП.

Область собственного поглощения имеет диапазон частот.

В области приместного поглощения λ > λгр может быть несколько не сколько полос поглощенияосновных полос возбуждения примеси.

Дополнительные области могут возникнуть из за переходовес уровня на уровень образования не учтённых примесей и дефектов кристаллической решётки.

24.11.00          Квантовый выход

Процесс поглощения фототнов п/п характеризуется квантовым выходом, он равен отношению числа возбуждённых   ек числу поглощённых фотонов. К= n% / N%

На практике К<1 Так как не каждый фотон падающий на п/п возбуждаете.

Собственное и примесное поглощение есть фотоактивные.

Фононное поглощение

Световая энергия поглощения тепловых колебаний превращается в фаноны.

Фонон – носитель кванта энергии колебания решётки.

Экситонное поглощение количественно связанно с отрывомеот атома.

При облучении п/п ультрафиолетом квантовый выход >1, в некоторых случаяхе  может отдавать свою энергию другому   не связанному   е.

Явление фото проводимости  в п/п

При освещении п/п в нём при определённых условиях в нём возможно перераспредиление  ена энергитические состояние не устойчивоеотдаёт энергию кристаллу, это и называется фотоэффектом.

Фотон как составная часть светового потока целиком отдаёт своё энергиюеп/п.

Если энергия фотона равняется Е_ф h ν ≥ _∆E то возможен переходеиз ВЗ в ЗП,    Еф → Ек

Механизм возникновения в п/п равновесных носителей заряда обоих знаков под действием опто возбуждения есть биполярная световая генерация.

Фото проводимость в примесных п/п.

В п/п (n-типа ) при энергии Еф = h ν ≥ Eс—Едвозможен переходес примесных уровней в ЗП.

В п/п (р-типа ) при энергии Еф = h ν ≥ Eа—Еvвозможен переходеиз ВЗ нв акцепторные уровни.

Возникновения в п/п под действием опто возбуждения нге равновесных носителей заряда есть моно полярная световая генерация. Изменение свойств проводимости п/п под действием опто излучения есть опто резистивный эффект.

Проводимость Ĝ п/п обусловленная опто возбуждением есть фото проводимость п/п, полную считают как

Ĝ=Ĝт+Ĝф

Ĝт- Темновая проводимость Ĝф- фото проводимость

27.11.00

Чем слабее поток света а следовательно и большую значимость буде иметь от обшей темновая проводимость,

при этом большую энергию могут иметь фото носители ненжели равновесные носители и

следовательно переходят на болие высокие энергитические уровни в течении 10^-10—10^-12 фото

носители передают свою избыточную энергию кристаллической решётке и переходят на болие низкие

уропни ЗП

Подвижности не равновесных носителей заряда одинаковы.

Ĝ= е[(n₀+∆n)μ_n+(p₀+∆p)μ_p]   

n₀,p₀-равновесные носители заряда

∆n,∆p- концентрация фото носителей

Пример

Имеется п/п пластина n₀ освешённая прямо угольным импульсом света, стандартное значение фото проводимости достижимо лишь через некий промежуток времени    ∆t   после фронта импульса света. Связано это с тем что под действием   света скорость генерации света возрастает     и одновременно увеличивается концентрация носителей заряда приводит к повышению скорости рекомбинации при постоянной интенсивности, скорость генерации постоянна, а посему через некий промежуток премени скорости генерации и рекомбинации сравняются. Наступит стационарная фото проводимость изменения КНЗ п/п при освещении п/п носит экспоненциальный характер.

По от ношению к времени жизни носителей заряда.

09.12.00          Люминисценция п/п

Это есть явления, при котором либо вещество поглощает энергию фотонов ионизирующего али иного излучения, либо под действием химичиких реакций переходят в возбуждённое состоянияпосле чего, возвращаясь в исходное состояния излучают полученную энергию в виде зримого света.

15.12.00          9.⁴⁷

Виды люминисценции
1	2	3	4	5	6	7
Фото	Катодо	Радиой	Электро	Трибо	Хемо	Био
Погощения веществом энергии кванта	Бомбардировка вещества   е	Облучения вешества ренгеновским излучением	Электро поле	механическое воздействие	При химических процессах	Светличок

10.⁰⁰

Вид	Материал	Пример
Фото	Неодиновое стекло, Кристалла флюрисцентные вешества CaWO4:Pb , ZnSiO4:Mn	Дорожные знаки, Люминисцентные лампы, Лазеры
Катодо	Zn O:Zn , Zn Si:Ag+In2O3 , Zn Si:Ca Al+In2O3	Катодо лучевые трубки
Электро 1. Пред пробойная	т.т. Zn S:Cu, Mn Zn Se, Mn	СИД, Оптронные лазеры, Индекаторы
2.Ижекционная	п/п Ga As, Ga P, Ga As P,Ga N, Zn Se, Si C

10.²⁴      Характерестические параметры люминесценции.

1. Интенсивности

2. Спекральный состав

3. Поляризация        

4. Когерентность

5. Длительность после свечения

При людминесценции акты излучения и поглащения различны меж собой, и промежуточными процессами обеспечивающими после свечения.

Люминесценцию происходяшюю лишь в процессе возбуждения называют флюрисценцией.

Люминафоры—есть вещества способные люминисцировать, кристаллофлюрисцентные, флюрисцентные или просто фосфорные есть веществасо временем высвечивания<10^-8с

Люминесценция как показывают эксперименты связанна с дефектами кристаллической решотки, что обясняет механизм этого явления с точки зрения зонной теории.

Процесс поглщения имеет три стадии.

I   Поглощение энергии кванта.

II  Перенос и накопление

III