диелектрики

1 Диэлектрики, проводники и полупроводники с точки зрения зонной теории твердого тела Согласно квантовой теории, электроны атома могут обладать только строго определёнными (разрешенными) значениями энергии. При температуре Т = 0 К самой слабой связью с ядром атома и самой высокой энергией обладают электроны последней оболочки (валентные электроны). При возбуждении атома (при получении валентными электронами строго определенной порции энергии извне,

равной разности значений между энергией свободного и занятого уровней) электрон переходит на более высокий уровень. Возбужденное состояние очень неустойчиво, время его существования около 10-8 с. По истечений этого времени электрон возвращается на исходный уровень, при этом выделяется квант электромагнитного излучения, независимо от того вида энергии, под действием которого произошло возбуждение.Если количество поглощенной электроном энергии велико, то электрон совсем отрывается от атома, становится

свободным, т.е. происходит ионизация атома. Атом расщепляется на положительный ион и свободный электрон. Обратный процесс - рекомбинация - сопровождается выделением избытка энергии в виде кванта электромагнитного излучения, энергия которого такая же, как и энергия ионизации. Распределение электронов по энергетическим уровням носит название диаграммы энергетических уровней или энергетической диаграммы. При образовании кристаллов твердого тела возникает взаимодействие между

атомами кристаллической решетки. В результате разрешенные уровни энергии электронов как бы расщепляются на ряд близко расположенных уровней, образуя энергетические зоны. Нижняя зона, которая называется валентной, полностью занята электронами только при температуре полного нуля. Разрешенные более высокие уровни энергии, не занятые электронами при Т =0 К, образуют свободную зону. В этой зоне могут находиться электроны, вышедшие из валентной зоны,

получившие дополнительную энергию. Эти электроны участвуют в создании электрического тока под действием приложенного к кристаллу напряжения и называются свободными, а свободная зона называется зоной проводимости. В различных по характеру электропроводности веществах валентная зона и зона проводимости либо примыкают друг к другу (например, в металлах (а)), либо отделены запрещенной зоной (например, в полупроводниках (б) и диэлектриках (в)). Для полупроводников (германия и кремния) ширина запрещённой зоны составляет

соответственно 0,72 и 1,12 эВ, для диэлектриков - величину порядка 6 – 10 эВ. Это объясняется более прочными связями валентных электронов с атомами. Поэтому в диэлектриках очень мало свободных электронов, и они обладают очень большим сопротивлением. В полупроводниках свободных электронов больше, а в металлах их очень много уже при обычной комнатной температуре, так как валентные электроны имеют очень слабую связь с ядром и при небольшой дополнительной

энергии переходят в зону проводимости. Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы. Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов.

Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи

насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического

перемещения в кристалле места с недостающим электроном — «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» — дырочный ток проводимости. В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников.

При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается. На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Допорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа.

Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости. Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа.

Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки». Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и л-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в р-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область.

Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок». р—n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р—л-контакт будет проводить ток, электроны из д-области пойдут в р-область, а «дырки» из р-области в n-область (рис.

32). В первом случае ток не равен нулю, во втором — ток равен нулю. Это означает, что если кр-области подключить «-» источника, а к л-области — «+» источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет. Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р- и n-типа . Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия, их недостатком является зависимость

сопротивления от температуры. В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор, который был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р—л-перехода. Основное применение транзистора — это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора наступил качественно новый этап развития электроники — микроэлектроники,

поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов,

конденсаторов, резисторов и диодов, до 3500 элементов Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 2—5 мкм, погрешность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, размещенный на кристалле кремния размером 6x6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов. Однако в технике применяются также полупроводниковые приборы без р—n-перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фоторезисторы (в фотореле, аварийных

выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видеомагнитофонами).