Понятие о распределении Ферми - Дарикла.

УРОВЕНЬ ФЕРМИ

В идеальном безпримесном кристалле собственного полупроводника при температуре абсолютного нуля все уровни зоны проводимости свободны, а все уровни валентной зоны заняты электронами, тогда для всех уровней зоны проводимости функция распределения Ферми равно 0,а для всех уровней валентной зоны функция распределения Ферми равна 1, следовательно уровень Ферми находится в запрещенной зоне между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны.

 

Ec - EF   Ef - EB

 

 

Положение уровня Ферми в запрещенной зоне можно характеризовать энергетическим расстоянием его от границ разрешенных зон. В этом случае для уровней зоны проводимости экспонента функции намного превышает единицу, а для уровня валентной зоны экспонента намного меньше единицы. Экспонента присутствует в формуле функции Ферми. Так как в собственном полупроводнике количество электронов проводимости равно числу дырок проводимости, то следует, что E_C - E_F = E_F-E_B

E_F= E_C-E_B\2 = дельта Е \ зет

Следует при любой температуре уровень Ферми собственного полупроводника лежит в середине запрещенной зон.

В общем случае уровень Ферми характеризует работу, затраченную на перенос заряженных частиц, обладающих массой и находящихся в среде имеющей градиент электрического потенциала и какое-то количество этих частиц. Уровень Ферми есть электрохимический потенциал системы частиц, который с формальной точки зрения можно определить, как энергетический уровень, вероятность заполнения которого равно 0.5.

ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ.

Чистые полупроводники являются объектом главным образом теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Если бы этих примесей не было, то большинства полупроводниковых приборов не существовало бы. Чистые полупроводниковые материалы такие как: Германий и Кремний содержат при комнатной температуре небольшое количество электронодырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для величесний проводимости чистых материалов используется процесс называемой легированием. Легирование - процесс добавления примесей в полупроводниковый материал. Используется два типа примесей: 1) Пятивалентной- состоит из атомов с пятью валентными электронами (Мышьяк, сурьма) 2) Трехвалентная - состоит из атомов с тремя валентными электронами (индий, галий). Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом (Мышьяк). Некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка. Атом мышьяка размещает 4 своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами, а его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. Атом мышьяка называется донорским атомом, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится много донорских атомов. Это означает, что для поддержки тока имеется много свободных электронов. При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронндырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок, следовательно электроны называются основными носителями, а дырки называются не основными носителями. Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, то такой материал называется полупроводником n - типа. Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентным материалом (индий) атомы индия разместят свои три валентных электрона среди соседних атомов, это создаст ковалентные связи в дырку. Наличие дополнительных дыр позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой, так как дырки легко принимают электроны, атомы которые вносят в полупроводник дополнительные дырки называются акцепторными. При обычных условия количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов, следовательно дырки являются основными носителями, а электроны не основными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, то такой материал называется полупроводником p - типа. Полупроводниковые материалы n - типа и p - типа имеют значительно более высокую проводимость. чем чистые полупроводниковые материалы. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее проводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление. Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными или n - типа. Примеси обуславливающии электронную проводимость называются донорными (отдающими электронную решетку). Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам, таким образом проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной. Такие полупроводники называют дырочными или p - типа. Примеси обуславливающие дырочную проводимость называют акцепторными (захватывающие электроны из решетки). Отрыв лишнего электрона от донора и захват не достающего электрона для акцепторов требует некоторой энергии ионизации или активации примесей. Поскольку в примесных полупроводниках концентрация электронов и дырок резко различны принято называть носителя преобладающего типа основными, а носителя другого типа не основными. В полупроводнике n - электроны, а p - дырки.

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Однородные полупроводники и однородные полупроводниковые слои находят весьма узкое применение, они непосредственно используются только в виде разного рода резисторов. Основные же элементы интегральных схем (ИС) и основная масса дискретных полупроводниковых приборов представляет собой сугубо неоднородные структуры. Два важнейших варианта таких структур- так называемый p-n -переход (контакт двух полупроводников с разным типом проводимости и структура МП (контакт металла с полупроводником). Электрический переход в полупроводнике - это граничный слой(контакт) между двумя областями физические характеристики которых существенно различаются. Переходы между двумя областям полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочными или pn переход

 

p n

 

Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоной называют гетеропереходами. Если одна из областей образующих переход является металлом, то такой переход называют переходом металл-полупроводник.

!!! электрические переходы нельзя создать путем механического контакта двух областей с разыми физически свойствами, хотя при рассмотрении физических процесса такая абстракция обычно используется. !!! Это объясняется тем, что поверхности кристаллов обычно "загрязнены" оксидами а атомами других веществ. Существенную роль играет воздушный зазор, устранить который при механическом контакте практически невозможно. Поэтому переходы создают технологическим соединением разнородных материалов. Эти переходы получают например: в плавлением или диффузией соответствующих примесей в пластинке монокристалла полупроводника, а также путем выращивания p-n - переходы из расплава полупроводника с регулируемым количеством примесей. В зависимости от способа приготовления p-n - переходы бывают: сплавными, диффузионными или выращенными.

ЭЛЕКТРОННО ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Электронно дырочный переход между двумя областями полупроводника, имеющими различный тип электропроводности. Область, разделяющая полупроводник на 2 части с разнотипной проводимостью называется электронно дырочным переходом или p - n - переходом, который является основой большинства полупроводниковых приборов. Явления, происходящие в электронно-дырочном переходе лежат в основе работы большинства полупроводниковых приборов. Различают плоскостные и точечные p-n- переходы.

вывод

p

p

n переход n

 

 

Плоскостной p-n- переход представляет собой(а) слоисто - контактный элемент в объеме кристалла с линейными размерами значительно превышающими его толщину на границе двух полупроводников с электропроводностями p и n типа. Точечный p-n- переход(б) имеют полусферическую форму очень малого диаметра. При формировании точечного p-n-перехода через очечный контакт острия (диаметр 10-20 микрон) металлической пружины с полупроводником основной массы кристалла n - типа пропускают в течение долей секунды импульс ток, сравнительно большей мощности, при этом в микрообъеме под острием пружины изменяется тип электропроводности, благодаря диффузии примесей из острия пружины в полупроводник. На границе раздела p и n слоев образуется полусферический p--n- переход диаметров порядка десятков микрон. Поверхность по которой контактируют p и n типов называют металлургической границей. Электронно-дырочные переходы классифицируются по резкости металлургической границы и по соотношению удельных сопротивлений слоев. В зависимости от характера распределения примесей обеспечивающих требуемый тип электропроводности в областях различают два типа переходов: резкий ( ступенчатый)и плавный. В резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии соизмеримом с диффузионной длиной; плавном на расстоянии значительно большим диффузионной длины. Резкость границы играет существенную роль так, как в плавном переходе трудно получить те вентильные свойства, которые необходимы для работы диодов и транзисторов. Ступенчатыми переходами называют переходы с идеальной границей по одну сторону которой находятся доноры с постоянной концентрацией N_Д , а с драгой акцепторы с постоянной концентрацией NA. Такие переходы наиболее просто для анализа, и поэтому все реальные переходы стараются, если это возможно рассматривать, как ступенчатые. Компенсированным полупроводником называется полупроводник с равной концентрацией донорных и акцепторных примесей. По отношению концентраций примесей в p и n слоях переходы делят на: симметричные, не симметричные и односторонние. Симметричные переходы характерны условиям, когда NД = N_A. Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники. Главное распространиние имеют не симметричные переходы, у которых концентрации не одинаков N_Д ne ravno N_A. В случае резкой ассиметрии, когда концентрации примесей, а значит и основных носителей различаются на один-два порядка и более переходы называются односторонними.

 

ФОРМИРОВАНИЕ P-N- ПЕРЕХОДА

-

-

NA

NД

n p

 

 

Рассмотрим явление возникающее при электрическом контакта n и p типа с концентрацией одинаковой донорных и акцепторных примесей(а). Будем считать, что на границе раздела(x₀) тип примесей резко изменяется. Существование электронно-дырочного перехода обусловлено различием концентрации подвижных носителей заряда электронной и дырочной областей полупроводника. В следствии того, что концентрация электронов в n области выше чем в p, а концентрация дырок в p области выше, чем в n области на границе этих областей существует градиент концентраций носителей, вызывающий диффузионный ток электронов из n - области в p - область(поток 1, рис. а), и диффузионный ток дырок из p области в n область (поток 2, рис. а), кроме тока обусловленного движением основных носителей заряда через границу раздела полупроводников возможен ток не основных носителей (электронов из p область в n область и дырок из n области в p область) потоки не основных носителей обозначены 3 i 4. В следствии существенногоo различия основных и не основных носителей и ток обусловленный основными носителями заряда будет преобладать над током не основных носителей Если бы электроны и дырки были нейтральными то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентрации. Пространственные заряды в переходе образуют электрическое поле направленное от положительно заряженных ионов донор к отрицательно заряженным донорам акцепторов.

 

 

Это поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для не основных. Теперь любой электрон проходящий из электронной области в дырочную попадает в электрическое поле стремящееся его возвратить обратно в электронную область. Точно также и дырки попадая из p - область в электрическое поле p-n- перехода будут возвращены этим полем обратно в p - область. Что же касается не основных носителей заряда, то они совершая хаотическое тепловое движение (дрейфуя) могут попасть в зону p-n-перехода. В этом случае ускоряющее поле перехода вытолкнет их за пределы перехода. На рисунке (б) показано распределение напряженности поля в p-n- переходе. Наибольшая велечина напряженности Е наблюдается в сечении x₀ поскольку через это сечение проходят все силовые линии, начинающиеся на положительных зарядах расположенное левее x₀ . По мере удаления от x₀ влево количество некомпенсированных положительных зарядов будет уменьшаться, следовательно и напряженность поля будет уменьшаться. Аналогичная картина наблюдается и при удалении вправо от сечения x₀. Если считать, что поле создается только зарядами доноров и акцепторов, то уменьшение напряженности происходит по линейному закону. Потенциально диаграмма p-n- перехода показана на рисунке(в). При перемещении от x_n к сечению x₀ потенциал повышается, а от перемещения х₀ к х_р снижается .!!!!!! За пределами перехода поле отсутствует и потенциал постоянен!!!!!.Перепад потенциалов в переходе равен контактной разности потенциалов ok. Этот перепад обычно называют потенциальным барьером, так как он препятствует перемещению основных носителей заряда. Следует отметить, что при комнатной температуре некоторое количество основных носителей заряда в каждой из областей полупроводника обладает энергией достаточной для преодоления потенциального барьера. Это приводит к тому, что через p-n-переход диффундирует незначительно количество электронов и дырок, образуя соответственно электронную и дырочную составляющие диффузионного тока. Кроме того через этот p-n- переход беспрепятственно проходят неосновные носители заряда для которых электрическое поле p-n-перехода является ускоряющим. Эти заряды образуют соответственно электронную и дырочную составляющие дрейфового тока. Направление дрейфового тока не основных носителей противоположно направлению диффузионного тока. Поскольку в изолированном полупроводнике плотность тока должна быть равно 0, то в конце концов устанавливается динамическое равновесие, когда диффузионный и дрейфовый потоки зарядов через p-n - переход компенсируют друг друга

 

ЕМКОСТЬ P-N-ПЕРЕХОДА

В идеальном p-n-переходе обратный ток уже при сравнительно небольшом обратном напряжении не зависит от значения последнего, однако при исследованиях реальных p-n-передов наблюдается достаточно сильное увеличение обратного тока при увеличении приложенного напряжения, причем в кремниевых структурах обратный ток на 2-3 порядка выше теплового. Такое отличие экспериментальных данных от теоретических объясняется термо - генерацией носителей заряда непосредственно в области p-n-перехода и существованием канальных токов и токов утечки. Канальные токи обусловлены наличием поверхностных энергетических состояний искривляющих энергетический зоны вблизи поверхностей. Эти слои называются каналами, а токи - канальными токами. Наряду с электропроводностью p-n-переход имеет и определенную емкость. Емкостные свойства обусловлены наличием по обе стороны от границы электрических зарядов. которые созданы ионами примесей, а так же подвижными носителями заряда, находящимися вблизи границ p-n-перехода. Емкость p-n-перехода подразделяют на 2 составляющие:

1) Барьерную

2) Отражающую перераспределение заряда в p-n-переходе и диффузионную отражающую перераспределение зарядов вблизи границ p-n-перехода

При прямом смещении перехода в основном проявляется диффузионная емкость, при обратном прямую роль играет барьерная емкость. Барьерная емкость обусловлена наличием в p-n- переходе ионов донорной и акцепторной примеси, которые образуют как бы 2 заряженные обкладки конденсаторов. С увеличением приложенного обратного напряжения барьерная емкость уменьшается из-за увеличения толщины перехода. При подключении к p-n-переходу прямого напряжения барьерная емкость увеличивается вследствие уменьшения толщины перехода, однако в этом случае емкость p-n-перехода определяется в основном диффузионной составляющей емкости. Диффузионная емкость отражает физический процесс изменения концентрации подвижных носителей заряда накопленных в областях вследствие изменения концентрации инжектированных носителей.

ПРОБОЙ P-N-ПЕРЕХОДА

При некотором значении.... возникает пробой p-n-перехода при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Таким образом под пробоем p-n-перехода понимают значительное уменьшение обратного сопротивления сопровождающееся возрастанием обратного тока при увеличении приложенного напряжения. Различают 2 вида пробоев:

1) Электрический (обратимый)

2) Тепловой(необратимый)

которые необходимо изучить самостоятельно

Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n -перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.

Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n -переходе с широким переходом.

Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n -перехода в результате недостаточного теплоотвода.

Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода.

Напряжения и токи в p-n -переходах зависят от параметров перехода и его температуры.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

 

Основаны на эффектах обусловленных переносом заряда в твердом теле и предназначены для усиления, генерирования и преобразования. Параметры полупроводцниковых приборов определяются, как геометрическими размерами, так и свойствами материалов полупроводника из которого изготовлен прибор. Большинство полупроводниковых приборов применяемых в устройства промышленной электроники и радиоаппаратуры можно разделить на следующие группы:

1) Полупроводниковые диоды

2) Транзисторы

3) Тиристоры

Полупроводниковые диоды относятся к двухэлектродным приборам. Транзисторы - трёхэлектродным. Тиристоры существуют как в двухэлектродном(динисторы), так и в трехэлектродным (тринисторы) исполнении. Основой перечисленных полупроводниковых приборов является кристалл полупроводника с одним или несколькими p-n-переходами. В промышленной электронике помимо этого также находят применение беспереходные полупроводниковые приборы - полупроводниковые резисторы у которых p-n-переход отсутствует. Такие резисторы изготовляют из однородного полупроводникового материала, электрические свойства которого определяют характеристики и параметры резисторов. Маломощные полупроводниковые приборы изготовляют, как в дискретном (отдельном), так и в интегральном исполнении. Мощные (силовые) полупроводниковые приборы изготовляют только в дискретном исполнении. Технология изготовления не изменяя общего характера процессов протекающих в приборе оказывает существенное влияние на его технические и эксплуатационные показатели.

 

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ

Полупроводниковые резисторы представляют обширный класс полупроводниковых приборов принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры электромагнитного излучения приложенного напряжения и других факторов. Одним из основных механизмов которые используются в таких приборах является процесс генерации пар электрон-дырка под воздействием внешних факторов. К полупроводниковым резисторам относят 0терморезисторы, терморезисторы, фоторезисторы, варисторы).

Терморезисторы - приборы, сопротивление которых значительно изменяется при изменении температуры

Фоторезисторы - приборы принцип действия которых основан на фоторезистивном эффекте - изменении сопротивления полупроводникового материала под действием электромагнитного излучения.

Варисторы - приборы, работа которых основана на эффекте уменьшения сопротивления полупроводникового материала при увеличении приложенного напряжения.

САМОСТОЯТЕЛЬНО ИЗУЧИТЬ (РАССМОТРЕТЬ) ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ (ЧТО ТАКОЕ ЗАЧЕМ ПОЧЕМУ) ФОТОРЕЗИСТОРЫ ВАРИСТОРЫ. ПРЯМЫЕ И ОБРАТНЫЕ РЕЛЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ТЕРМИСТОР ТЕРМОПАРА.

ТЕМЗОРЕЗИСТОРЫ(ноу нид)

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Диод - простейший полупроводниковый прибор, который позволяет току течь только в одном направлении. Полупроводниковый диод представляет собой электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним p-n- переходом и двумя внешними выводами под областей кристалла с разными типами электропроводности. Именно p-n-переход является основой любого полупроводникового диода(кроме диодов с барьером металл-полупроводник, то есть диодов шеттки и диодов Ганна и определяет его свойства, его технические характеристики и параметры. Наибольшее применение получили Германиевые и Кремневые полупроводниковые диоды, а так же диоды, выполненные на основе арсенида галлия. В зависимости от способов получения p-n-переходов полупроводниковые диоды делятся на 2 типа: плоскостные и точечные. Диод создается соединением вместе n и p типа. В области контактов этих материалов образуется переход, такой диод называется диодом на основе p-n-перехода. При формировании перехода подвижные заряды в его окрестности притягиваются к зарядам противоположного знака и дрейфуют по направлению к переходу(электроны в одну сторону, дырки в другую). По мере накопления зарядов этот процесс усиливается. Некоторые электроны из полупроводника n - типа перемещаются через переход, заполняя дырки вблизи перехода в материале p - типа. В материале n- типа в области перехода электронов становится меньше. Эта область перехода, где концентрация электронов и дырок уменьшена называетсяобедненным слоем. Он занимает небольшую зону с каждой стороны перехода. В обедненном слое нет основных носителей. и материалы n и p- типа не являются больше электрически нейтральными. Материалы n- типа становятся положительно заряженным близи перехода, а материал p -типа - отрицательно. обедненный слой не может стать большим, так как взаимодействие зарядов быстро ослабевает при увеличении расстояния, и слой остается малым. Размер слоя ограничен зарядами противоположного знака, расположенными по обе стороны перехода. Как только отрицательные заряды располагаются вдоль перехода они отталкивают другие электроны, и не дают им пересечь переход. Положительные заряды поглощают свободные электроны и так же не дают им пересечь переход. Эти заряды противоположного знака выстроившиеся с двух сторон перехода создают напряжение называемое потенциальным барьером. Это напряжение может быть представлено, как внешний источник тока, хотя существует только на p-n-переходе. Потенциальный барьер мал, его величина оставляет только несколько десятых долей вольты (0.3 для германия, 0.7 для кремния). Потенциальный барьер проявляется, когда к p-n-переходу прикладывается внешнее напряжение. Напряжение, приложенное к диоду называется напряжением смещения. Напряжение смещения бывают прямым и обратным. Когда ток течет от n(-)-типа к материалу p-(+)типа то говорят что диод смещен в прямом направлении. То, текущий через диод, смещенный в прямом направлении ограничен сопротивлением материала p и n -типов и внешним сопротивлением цепи. Сопротивление диода не велико. Следовательно подсоединение источника тока к диоду в прямом направлении создает большой ток. При этом может выделиться такое количество тепла, которого достаточно для разрушения диода. Для того, чтобы ограничить ток последовательно с диодом необходимо включить резистор. Диод проводит ток в прямом направлении только тогда, когда величина внешнего напряжения больше потенциального барьера. Когда диод начинает проводить ток, на нем появляется падение напряжения равное потенциальному барьеру и называется прямым падением напряжения(E_пр ). В диоде на который подано напряжение смещения в прямом направлении отрицательный вывод внешнего источника тока соединен с материалом n- типа, а положительный вывод с материалом p -типа. Если эти выводы поменять местами диод не будет проводить ток и про него говорят, что он смещен в обратном направлении. В результате обедненный слой p-n-перехода становится шире и сопротивление перехода увеличивается. Приложенное в обратном направлении напряжение смещения увеличивает потенциальный барьер. Если напряжение внешнего источника равно величине потенциального барьера электроны и дырки не могут поддерживать протекание тока. При обратном напряжении смещения течет очень маленький ток. Этот ток утечки называется обратным током и существует благодаря наличию не основных носителей. Таким образом можно сказать, что диод на основе p-n-перехода является устройством пропускающим ток только в одном направлении. Это свойство позволяет использовать диод в качестве выпрямителя, который преобразует переменное напряжение в постоянное.

МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИОДОВ

ДОМА

Прямое напряжение!

да(нет)(да)(нет)(да)(нет)

Обозначения полупроводниковых диодов.

Обозначения полупроводниковых диодов состоят из 6 элементов.

1 элемент(буква или цифра) обозначает исходный материал:

Г или цифра 1 - германий, К или 2 - кремний, А или 3 - соединения галлия. Обозначения, начинающиеся с цифры присваиваются приборам, которые могут работать при повышенных температурах или других внешних факторах.

2 элемент(буква) указывает на тип полупроводникового диода:

Д - выпрямительные, универсальные, импульсные диоды

Ц - выпрямительные столбы и блоки

А - сверхвысокочастотные диоды

С - стабилитроны и стабисторы

И - туннельные и обращенные диоды

В - варикапы

Л - излучающие диоды

Г- генераторы шума

Б - диоды Ганна

К - стабилизаторы тока

3 элемент(цифра) определяет назначение и качественные свойства диодов

4 и 5 элементы (цифры) обозначают порядковый номер разработки от 0.1 до 99(за исключением стабилитронов и стабисторов).

У стабилитронов имеющих напряжение стабилизации в вольтах от 1 до 9.9 вольта и от 10 до 99 вольт 4 и 5 элементы обозначают напряжение стабилизации. У стабилитронов имеющих напряжение стабилизации от 100 до 199 вольт - разность между номинальным значением напряжения и стабилизации и 100 вольтами.

У стабисторов имеющих напряжение стабилизации менее 1 вольта 4 и 5 элементы обозначают десятые и сотые доли вольта.

6 элемент(буква) определяет разновидность прибора по технологическим признакам, а для стабилитронов и стабисторов указывает на последовательность разработки.

+ А

К -

Схематическое обозначение диода выглядит следующим образом:

 

 

На схематическом изображении полупроводникового диода треугольник является анодом(p область). Черточка - катод (n часть).

Iпр

Прямой ток течет

 

Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода.

Треугольник нужно рассматривать, как стрелку показывающую условное направление прямого тока.

Понятие о распределении Ферми - Дарикла.

N

Энергетические уровни в одиночном изолированном атоме являются строго дискретными. Под влиянием обменных взаимодействий с соседними атомами энергетические уровни несколько сдвигаются и расщепляются. При построении кристаллической решетки дискретные энергетические уровни свободного изолированного атома превращаются в энергетические зоны. Разрешенные зоны содержат огромное количество уровней (10²² - 10²³ см-³). на каждом из которых могут находиться электроны. Чтобы оценить фактическую концентрацию электронов в веществе нужно знать распределение уровней и вероятность заполнения этих уровней при температуре абсолютного нуля и отсутствия остальных источников возбуждения электроны в атомах любого вещества занимают уровни с наименьшей энергией. Функция распределения Максвелла - Больцмана по энергиям выглядит следующим образом:

 

Т1 Т2

 

 

E

Е1 Е2

Эта функция имеет одинаковый вид для полупроводников, изоляторов и проводников. Она показывает наиболее вероятную энергию, которой обладают свободные электроны. Кривые приведены для двух температур Т₂>Т₁. Эти кривые показывают что при повышении температуры электроны переходят на более высокие уровни энергии, данную функцию можно использовать для описания свободных электронов в газовом разряде. поскольку они являются действительно свободными и обладают относительно высокой энергией. Эта функция определяет вероятность того, что среди общего числа электронов N имеется n электронов с энергией Е или большей Е.

Статистику Максвелла - Больцмана нельзя применять к свободным электронам в твердом теле, так как энергия свободных электронов в твердом теле определяется числом свободных энергетических уровней и принципом Паули, следовательно классическое распределение Максвелла- Больцмана используется только для свободных молекул газа, поскольку электроны в твердом теле находятся в энергетических зонах, то для них следует использовать функцию распределения Ферми - Дирата, которая позволяет рассматривать квантовые состояния.

дельта Е

dal'ta E

EB EB EC

EF

 

EB EF EC

 

 

На данном рисунке приведены функции распределения Ферми Дирака отдельно для проводников диэлектриков и полупроводников. В проводниках обладающих высокой концентрацией электронов в зоне проводимости, распределения электронов по величинам энергии можно изобразить графиком, названным распределением Ферми. Из графика видно, что при температуре абсолютного нуля.

 

я нет электронов обладающих энергией большей Ef(уровень Ферми) график показывает что число электронов не имеющих энергии равно 0, чем больше значение энергии, тем большее число электронов обладают такой энергией

 

 

 

 

 

я нет электронов обладающих энергией большей Ef(уровень Ферми) график показывает что число электронов не имеющих энергии равно 0, чем больше значение энергии, тем большее число электронов обладают такой энергией. Максимально число электронов имеет энергию Ef. Для более высокой температуры некоторое число электронов имеет энергию больше Ef, и соответственно уменьшилось число электронов с энергией Ef.Чем выше температура, тем больше максимальная энергия и тем меньшее число электронов с энергией близкой в Ef. Величина Ef зависит от физических свойств твердого тела(материала) при абсолютном нуле функция распределения Фермит - Дирака Р (Е) имеет следующее значение:

: Р(Е) = 1 Е< E_F

P (E) 1\2 E=E_F

P (E) = 0 E> E_F

Т = 0К   Т = 0К

Это обозначает, что при абсолютном нуле все энергетические уровни, находящиеся выше уровня Ферми свободны, при этом имеется резкая граница между занятыми и свободными квантовыми состояниями, а сама функция распределения имеет ступенчатый характер.

Ес Еф   ЕВ

Pn (E) Pp (E)

 

0 1\2 1

1 1\2 0

При повышении температуры граница становится расплывчатой, повышение температуры изменяет функцию распределения только в близи уровня E_F и при том таким образом, что скачко образное спадание кривой до нуля при E = E_F сменяется более плавной плавным в сравнительно узкой области энергии близких к E_F. Существенное отличие классической функции распределения Максвелла - Больцамана от функции распределения Фермит Дюрака заключается в том, что первая всегда представляет собой непрерывную функцию, тогда как последняя может таковой и не быть например рисунок (в). Функция распределения ФЕрмит - Дирака позволяет рассматривать квантовые состояния.

УРОВЕНЬ ФЕРМИ

В идеальном безпримесном кристалле собственного полупроводника при температуре абсолютного нуля все уровни зоны проводимости свободны, а все уровни валентной зоны заняты электронами, тогда для всех уровней зоны проводимости функция распределения Ферми равно 0,а для всех уровней валентной зоны функция распределения Ферми равна 1, следовательно уровень Ферми находится в запрещенной зоне между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны.

 

Ec - EF   Ef - EB

 

 

Положение уровня Ферми в запрещенной зоне можно характеризовать энергетическим расстоянием его от границ разрешенных зон. В этом случае для уровней зоны проводимости экспонента функции намного превышает единицу, а для уровня валентной зоны экспонента намного меньше единицы. Экспонента присутствует в формуле функции Ферми. Так как в собственном полупроводнике количество электронов проводимости равно числу дырок проводимости, то следует, что E_C - E_F = E_F-E_B

E_F= E_C-E_B\2 = дельта Е \ зет

Следует при любой температуре уровень Ферми собственного полупроводника лежит в середине запрещенной зон.

В общем случае уровень Ферми характеризует работу, затраченную на перенос заряженных частиц, обладающих массой и находящихся в среде имеющей градиент электрического потенциала и какое-то количество этих частиц. Уровень Ферми есть электрохимический потенциал системы частиц, который с формальной точки зрения можно определить, как энергетический уровень, вероятность заполнения которого равно 0.5.