W zależności od stopnia zapełnienia atomowych pasm energetycznych elektronami, możemy podzielić ciała na dwie wielkie grupy :

• przewodniki

• półprzewodniki

Przewodniki - do tej grupy zaliczamy ciała stałe, w których nad pasmem całkowicie wypełnionym , zwanym pasmem walencyjnym , leży pasmo dozwolone częściowo zapełnione, zwane pasmem przewodnictwa. Pasmo częściowo zapełnione powstaje w przypadku , gdy poziom atomowy jest zapełniony częściowo.

Metale o najwyższym paśmie energetycznym zawierającym elektrony są nie całkowicie zapełnione. Wewnątrz tego pasma elektrony mogą być łatwo wzbudzane czyli podnoszone do wyższego poziomu energetycznego. Jeżeli do kawałka metalu przyłożymy napięcie i wytwarzamy w nim pole elektryczne o natężeniu E , to pole działając na każdy elektron siłą F= - Ee spowoduje zmianę rozkładu prędkości elektronów. Elektrony poruszające się w kierunku przeciwnym do kierunku działającej siły są hamowane, natomiast elektrony poruszające się zgodnie z tym kierunkiem są przyspieszane. W wyniku tego następuje wypadkowy uporządkowany ruch elektronów w jednym kierunku z pewną prędkością. Ta zmiana elektronów pod wpływem pola elektrycznego powoduje przechodzenie elektronów na wyższe poziomy energetyczne. Jednak to wszystko może zajść gdy w paśmie energetycznym , do którego należą dane elektrony, są wolne poziomy kwantowe.

Podsumowując możemy powiedzieć , że:

Ciała stałe , które posiadają częściowo zapełnione elektronami pasmo energetyczne, są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego.

Półprzewodniki .

Są to ciała , w których nad pasmem zapełnionym całkowicie leży pasmo puste. Typowym przykładem tej grupy są półprzewodniki pierwiastkowe, które mają strukturę krystaliczną diamentu , np. krzem, german. Czyli pasma walencyjne tych pierwiastków , które posiadają cztery poziomy na atom , są zapełnione czterema elektronami walencyjnymi, podczas gdy pasmo przewodnictwa zawierające także cztery poziomy na atom jest zupełnie puste.

Rodzaje półprzewodników :

• samoistne

• domieszkowe z domieszką donorów ( tzw. przew. typu n )

• domieszkowe z domieszką akceptorów ( tzw. przew. typu p )

• domieszkowe typu mieszanego ( tzw. przew. typu p i n ).

Samoistne.

Są to chemicznie czyste kryształy , takie jak german , krzem itp. Półprzewodniki tego typu posiadają dwie charakterystyczne cechy:

1. Półprzewodnik samoistny w temperaturze zera bezwzględnego jest idealnym izolatorem.

2. Przewodność elektryczna półprzewodnika samoistnego ma charakter aktywacyjny, czyli może być wywołana czynnikami takimi jak : temperatura , promieniowanie , silne pole elektryczne i inne, które są w stanie udzielić energii większej od E_g.

Półprzewodniki typu n.

Załóżmy , że w krysztale germanu część atomów germanu została zastąpiona atomami pięciowartościowego arsenu . German ma sieć krystaliczną typu diamentu , w którym każdy jest otoczony czterema sąsiednimi atomami związanymi ze sobą siłami walencyjnymi , jest to typowy przewodnik typu n. Arsen posiada pięć elektronów co pozwala aby piąty wolny elektron , który nie bierze udziału w wiązaniu , znajdował się na silnie wzrastającej orbicie. W konsekwencji atom arsenu w germanie tworzy podobny układ do atomu wodoru. W wyniku powstaje dodatkowy poziom zwany poziomem donorowym. Ze względu , że E_g-E_d=0,01eV jest bardzo mała , więc mały wzrost temperatury powoduje przepływ elektronów z poziomu donorowego do pasma przewodnictwa.

Półprzewodniki domieszkowe typu n charakteryzują się przewodnictwem elektronowym. Domieszki stanowią żródło elektronów przewodnictwa i noszą nazwę donorów , a powstałe dodatkowe poziomy energetyczne , leżące w pobliżu pasma przewodnictwa , noszą nazwę poziomów donorowych.

Półprzewodniki typu p.

Załóżmy , ze teraz w krysztale germanu część atomów germanu została zastąpiona atomami trójwartościowego indu. Atom indu nie może tworzyć kompletnych wiązań z germanem , ponieważ mu brakuje elektronu . Jednak brakujący elektron może być wypożyczony od atomu germanu w wyniku czego powstaje dziura w paśmie walencyjnym, a w paśmie wzbronionym powstaje dodatkowy poziom energetyczny E_a , zwany poziomem akceptowym.

W półprzewodnikach domieszkowych typu p, z domieszkami akceptorowymi, powstaje dodatkowy poziom energetyczny E_a , leżący bardzo blisko pasma walencyjnego. W wyniku przechodzenia elektronów z pasma walencyjnego na poziom akceptorowy w paśmie tym powstają dziury , dlatego też przewodnictwo elektryczne półprzewodników typu p ma charakter dziurowy.

Półprzewodniki typu p n.

Mają one równocześnie cechy półprzewodników typu n oraz typu p

Położenie poziomu Fermiego zależy od temperatury oraz koncentracji akceptorów(n_a) i donorów(n_d). Jeżeli n_a < n_d , to poziom Fermiego przesuwa się w kierunku poziomu akceptorowego gdy zaś n_a > n_d , to przesuwa się w kierunku poziomu donorowego.

Akademia Rolniczo-Techniczna

w Olsztynie

Wydział Mechaniczny

Laboratorium Fizyki

(część teoretyczna)

Temat:

Wyznaczanie charakterystyk statycznych diod półprzewodnikowych w kierunku przewodzenia i zaporowym i konstrukcja prostownika jednopołówkowego i dwupołówkowego w układzie Graetza.

Żbikowski Tomasz

III MiBM Zespół 9

---