WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 18 |

Министерство образования РФ

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра материаловедения и ТКМ

Курс лекций по предмету

“Материаловедение и ТКМ”

II семестр

Авторы: студенты группы ЭСиС207

Ахметгареев Р.Р.

Васильев О. Ю.

Рощин М. Е.

Лазарев Д. В.

Уфа 2004 Оглавление Лекция 1 4 Заполнение зон электронами. Проводники, диэлектрики и полупроводники 4 Собственные полупроводники 5 Примесные полупроводники 6 Лекция 2 8 Принципы работы полупроводниковых приборов и их применение 8 Диоды 8 Стабилитроны 9 Варикапы 10 Светодиоды 11 Фоторезисторы 12 Фотоэлементы с pnпереходом 12 Фотодиоды 13 Термоэлектрогенераторы и термоэлектрохолодильники Эффект Холла Полупроводниковые лазеры (КПД > 90%) Тензорезисторы Лекция 3 Механические свойства материалов Диаграмма растяжения Пластичность и хрупкость. Твердость Способы измерения твёрдости Влияние энергии химических связей на свойства материалов Теоретическая и реальная прочности кристаллов на сдвиг Лекция 4 Кристаллизация металлов Самопроизвольная кристаллизация Несамопроизвольная кристаллизация Получение монокристаллов Аморфное состояние металлов Полиморфизм Лекция 5 Влияние нагрева на структуру и свойства металлов Холодная и горячая деформации Термическая обработка металлов и сплавов Определения и классификация Нагрев для снятия остаточных напряжений Рекристаллизационный отжиг Диффузионный отжиг (гомогенизация) Лекция 6 Термохимическая обработка Назначение и виды химикотермической обработки Цементация Цианирование и нитроцементация Азотирование Диффузионная металлизация Алитирование (Al) Хромирование (Cr) Борирование (B) Силицирование (Si) Поверхностнопластическая деформация Лекция 7 Способы литья Литье в землю Литье в оболочковые формы Литье по выплавляемым моделям Непрерывное литье Литье в кокиль Литье под давлением Центробежное литье Литье под низким давлением Литье выжиманием Лекция 8 Конструкционные материалы Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам Прочность конструкционных материалов и критерии ее оценки Классификация конструкционных материалов Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочности Классификация конструкционных сталей Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов Превращения в сплавах системы железоцементит Углеродистые стали Легированные стали Лекция 9 Цветные сплавы Медные сплавы Сплавы на основе алюминия Сплавы на основе магния Титан и сплавы на его основе Лекция 10 Органические полимеры Старение полимеров Дополнительные компоненты полимерных композиций Неполярные и слабополярные термопласты Полярные термопласты Термореактивные полимеры Слоистые пластмассы Металлопласты Лекция 11 Неорганические материалы Графит Неорганическое стекло Ситаллы Керамика Лекция 12 Композиционные материалы Композиционные материалы с металлической матрицей Композиционные материалы с неметаллической матрицей Карбоволокниты Бороволокниты Органоволокниты Список литературы Лекция Заполнение зон электронами. Проводники, диэлектрики и полупроводники Каждая энергетическая зона содержит ограниченное число энер­гетических уровней. В соответствии с принципом Паули на каждом уровне может разместиться не более двух электронов. При ограничен­ном числе электронов, содержащихся в твердом теле, заполненными окажутся лишь несколько наиболее низких энергетических зон. По характеру заполнения зон электронами все тела можно разде­лить на две большие группы.

К первой группе относятся тела, у которых над целиком заполнен­ными зонами располагается зона, заполненная лишь частично (рис. а). Такая зона возникает в том случае, когда атомный уро­вень, из которого она образуется, заполнен в атоме не полностью. Частично заполненная зона может образоваться вслед­ствие наложения заполненных зон на пустые или частично заполненные (рис. б). Наличие зоны, заполненной лишь частично, присуще металлам.



Ко второй группе относятся тела, у которых над целиком заполнен­ными зонами располагаются пустые зоны (рис. в, г). Типичным примером таких тел являются химические элементы IV группы табли­цы Менделеева — углерод в модификации алмаза, кремний, герма­ний и серое олово, имеющее структуру алмаза. К этой же группе тел относятся многие химические соединения — окислы металлов, нитри­ды, карбиды, галогениды щелочных металлов и т. д. Согласно зонной теории твердых тел, электроны внешних энерге­тических зон имеют практически одинаковую свободу движения во всех телах независимо от того, являются они металлами или диэлектриками. Движение осуществляется путем туннельного перехода электро­нов от атома к атому. Несмотря на это, электрические свойства этих тел, в частности удельная электропроводность, различаются у них на много порядков.

По ширине запрещенной зоны тела второй группы условно делят на диэлектрики и полупроводники. К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкую запрещенную зону. У типичных ди­электриков Eg > 3 эВ. Так, у алмаза Eg — 5,2 эВ; у нитрида бора Eg 4,6 эВ.

К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону (рис. г). У типичных полупроводников Eg < 1 эВ. Так, у германия Eg = 0,65 эВ; у кремния Eg = 1,08 эВ; у арсенида галлия Eg = 1,43 эВ Диэлектрики:

Запрещенная зона Wg~5эВ; с=108?1018Ом*м;

Металлы:

Запрещенная зона Wg=0; с=108?106Ом*м;

Полупроводники:

Запрещенная зона Wg~1эВ; с=106?107Ом*м;

Собственные полупроводники Химически чистые полупроводни­ки называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд чистых химических элементов (германий, кремний, селен, теллур и др.) и многие химические соединения, такие, например, как арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), карбид кремния (SiC) и т. д.

На рис. а показана упрощенная схема зонной структуры соб­ственного полупроводника. При абсолютном нуле его валентная зона укомплектована полностью, зона проводимости, расположенная над валентной зоной на расстоянии Eg является пустой. Поэтому при абсолютном нуле собственный полупроводник, как и диэлектрик, об­ладает нулевой проводимостью.

Однако с повышением температуры вследствие термического воз­буждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энер­гию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости (рис. б). Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне свободных уровней, на которые могут переходить электроны этой зоны. При при­ложении к такому кристаллу внешнего поля в нем возникает направленное движение электронов зоны проводимости и валентной зоны, приводящее к появлению электрического току. Кристалл становится проводящим.

Чем уже запрещенная зона и выше температура кристалла, тем больше электронов переходит в зону проводимости, поэтому тем более высокую электропроводность приобретает кристалл.

Из изложенного вытекают сле­дующие два важных вывода.

Проводимость полупровод­ников является проводимостью возбужденной: она появляется под действием внешнего фактора, способного сообщить электронам валентной зоны энергию, достаточную для переброса их в зону прово­димости. Такими факторами могут быть нагревание полупроводников, облучение их светом и ионизирующим излучением.

где у – удельная проводимость;

с – удельное электрическое сопротивление;

n – концентрация носителей заряда;

q – величина заряда;

м – подвижность носителей заряда;

Подвижность носителей заряда характеризует способность перемещаться под действием электрического поля.

В металлах n практически не меняется. В полупроводниках n зависит от температуры.

где k – постоянная Больцмана T – абсолютная температура Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер. Алмаз, являющийся диэлектриком при комнатной температуре, приобретает заметную проводимость при более высоких температурах и может считаться также полупроводни­ком. По мере того, как в качестве полупроводников начинают использоваться материалы со все более широкой запрещенной зоной, деление тел на полупроводники и диэлектрики постепенно утрачивает свой смысл.





В таблице приведены электрофизические свойства и характеристики зонной структуры трех типичных собствен­ных полупроводников при комнатной температуре — кремния, германия и антимонида индия.

Вещество Eg, эВ с, Ом?м мn,см2/В?с мp,см2/В?с г, г/см M, г/моль Ge (70?800C) 0, 0, 5, Si (120?1400C) 1, 2, Из данных таблицы видно, что с уменьшением ширины запрещенной зоны резко возрастает концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике и падает его удельное сопротивление.

Примесные полупроводники Полупроводники любой степени чистоты содержат всегда примес­ные атомы, создающие свои собственные энергетические уровни, полу­чившие название примесных уровней. Эти уровни могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах полупроводника на различных расстояниях от вершины валентной зоны и дна зоны про­водимости. В ряде случаев примеси вводят сознательно для придания полупроводнику необходимых свойств. Рассмотрим основные типы примесных уровней.

Донорные уровни. Предположим, что в кристалле германия часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка. Герма­ний имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными си­лами (рис. а). Для установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует четыре валентных электрона; пятый электрон в образовании связи не участвует. Он продолжает двигаться в поле ато­ма мышьяка.

Вследствие ослабления поля радиус орбиты электрона увеличивается в 16 раз, а энергия связи его с ато­мом мышьяка уменьшается примерно в е2 ? 256 раз, становясь равной Ед ? 0,01 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывает­ся от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решет­ке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости (рис. б).

На языке зонной теории этот процесс можно представить следую­щим образом. Между заполненной валентной зоной и свободной зо­ной проводимости располагаются энергетические уровни пятого элек­трона атомов мышьяка (рис. в). Эти уровни размещаются непо­средственно у дна зоны проводимости, отстоя от нее на расстоянии Eg ? 0,01 эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней энергии Eg они переходят в зону проводимости (рис. г). Обра­зующиеся при этом положительные заряды («дырки») локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.

Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, на­зываются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками nтипа, часто их называют также донорными полупроводниками.

Акцепторные уровни. Предположим теперь, что в решетке герма­ния часть атомов германия замещена атомами трехвалентного индия (рис. а). Для образования связей с четырьмя ближайшими со­седями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заим­ствовать» у атома германия. Для этого требует­ся энергия порядка Еа ? 0,01 эВ. Разорванная связь представляет собой дырку (рис. б), так как она отвечает образованию в валентной зоне германия вакантного состояния.

На рис. в показана зонная структура германия, содержащего примесь индия. Непосредственно у вершины валентной зоны на расстоянии Еа ? 0,01 эВ располагаются незаполненные уровни атомов индия. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при относительно невысоких температурах электроны из валент­ной зоны переходят на примесные уровни (рис. г). Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решетке гер­мания и в проводимости не участвуют. Носителями заряда являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупро­водника, называют акцепторными, а энергетические уровни этих при­месей — акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие также примеси, называются дырочными полупроводниками, пли полупроводниками pтипа; часто их называют акцепторными полупроводниками.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 18 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.