Центры прилипания и их влияние на фото электрические свойства полупроводника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАЛМЫЦКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему: «ЦЕНТРЫ ПРИЛИПАНИЯ (ЛОВУШКИ) И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ФОТО ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКА»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 4 курса

специальности  физика

Нагадинов Георгий Петрович

 

Научный руководитель:

Батырев Александр Сергеевич

 

                                                              Элиста

                                                                2014

 

 

Содержание

 

Введение……………….………………………………………………..3

Зонная структура полупроводника....…………………………….…...5

Классификация уровней энергии возникающие за счет примесных состоянии...........………………………………………………….…….7

Дифракция на щели…………………………………………………….13

Дифракционная решетка ……………………...……………………….16

Принцип Гюйгенса – Френеля.………………………………………...19

Метод зон Френеля……………………………………………………..20

Оптические приборы с дифракционной решеткой ……...…………...22

Заключение……………………………………………………………...27

Список литературы…………………..…………………………………28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Явление фотопроводимости было открыто в 1873 году У.Смитом. В настоящее время это явление широко используется для создания электронных приборов, полупроводниковых фотоприемников.

Если оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости, то имеет место собственная фотопроводимость, обусловленная электронами и дырками. Фотопроводимость, обусловленная переходами электронов между уровнями примеси и зонами, называется примесной фотопроводимостью.

Помимо фотопроводимости освещение полупроводникового кристалла может вызывать появление электродвижущей силы. Эдс, возникающую при неравномерном освещении полупроводника, называют э. д. с. Дембера.

В 1934 г. И.К. Кикоин и М.М. Носков открыли новый тип фото-э.д.с. Он возникает в полупроводнике, находящемся в магнитном поле, при освещении сильно поглощаемым светом. Это явление называется эффектом Кикоина — Носкова.

На контакте металла с полупроводником происходит перераспределение зарядов, приводящее к возникновению в полупроводнике обедненного слоя, сопровождающегося искривлением зон полупроводника. Это искривление зон вблизи поверхности раздела называется барьером Шоттки. В наше время трудно найти такую область народного хозяйства, науки или техники, где бы не применялись фоторезисторы.

Высоко обнаружительная способность фоторезисторов позволяет использовать их в устройствах дистанционного измерения незначительных местных перегревов различных объектов, в приборах для спектрального анализа состава различных материалов, в системах световой сигнализации и защиты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зонная структура полупроводников

 

 

Согласно постулатам Бора энергетические уровни для электронов в изолированном атоме имеют дискретные значения. Твердое тело представляет собой ансамбль отдельных атомов, химическая связь между которыми объединяет их в кристаллическую решетку. Если твердое тело состоит из N атомов, то энергетические уровни оказываются N-кратно вырожденными. Электрическое поле ядер, или остовов атомов, выступает как возмущение, снимающее это вырождение. Дискретные моноэнергетические уровни атомов, составляющие твердое тело, расщепляются в энергетические зоны. Решение квантовых уравнений в приближении сильной или слабой связи дает качественно одну и ту же картину для структуры энергетических зон твердых тел. В обоих случаях разрешенные и запрещенные состояния для электронов чередуются и число состояний для электронов в разрешенных зонах равно числу атомов, что позволяет говорить о квазинепрерывном распределении энергетических уровней внутри разрешенных зон.

Наибольшее значение для электронных свойств твердых тел имеют верхняя и следующая за ней разрешенные зоны энергий. В том случае, если между ними нет энергетического зазора, то твердое тело с такой зонной структурой является металлом. Если величина энергетической щели между этими зонами (обычно называемой запрещенной зоной) больше 3 эВ, то твердое тело является диэлектриком. И, наконец, если ширина запрещенной зоны Eg лежит в диапазоне (0,1 ÷ 3,0) эВ, то твердое тело принадлежит к классу полупроводников. В зависимости от сорта атомов, составляющих твердое тело, и конфигурации орбит валентных электронов реализуется тот или иной тип кристаллической решетки, а следовательно, и структура энергетических зон. На рисунке 8 приведена структура энергетических уровней в изолированном атоме кремния, а также схематическая структура энергетических зон, возникающих при сближении этих атомов и образовании монокристаллического кремния с решеткой так называемого алмазоподобного типа.

Верхняя, не полностью заполненная, энергетическая зона в полупроводниках получила название зоны проводимости. Следующая за ней энергетическая зона получила название валентной зоны. Энергетическая щель запрещенных состояний между этими зонами называется запрещенной зоной. На зонных диаграммах положение дна зоны проводимости обозначают значком Ec, положение вершины валентной зоны - Ev, а ширину запрещенной зоны - Eg.

Поскольку в полупроводниках ширина запрещенной зоны меняется в широком диапазоне, то вследствие этого в значительной мере меняется их удельная проводимость. По этой причине полупроводники классифицируют как вещества, имеющие при комнатной температуре удельную электрическую проводимость σ от 10-8 до 106 Ом·см, которая зависит в сильной степени от вида и количества примесей, структуры вещества и внешних условий: температуры, освещения (радиации), электрических и магнитных полей и т.д.

Для диэлектриков ширина запрещенной зоны Еg > 3 эВ, величина удельной проводимости σ < 10-8Ом·см, удельное сопротивление ρ = 1/σ > 108 Ом·см. Для металлов величина удельной проводимости σ > 106 Ом·см.

Рисунок 8 - Структура энергетических уровней в изолированном атоме кремния, а также схематическая структура энергетических зон, возникающих при сближении этих атомов и образовании монокристаллического кремния.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация уровней энергии возникающие за счет примесных состоянии

 

 

 

Большое влияние на зонную структуру твердых тел оказывают дефекты. Дефекты могут появляться, в частности, при введении в исходную кристаллическую решетку атомов какой-либо примеси (легирование). При этом возникает ситуация, когда в запрещенной зоне могут образовываться дополнительные уровни энергии. Легирование полупроводников различными примесями позволяет создавать материалы с совершенно новыми свойствами, отличающимися от свойств основного полупроводника и примеси.

Примесными уровнями называются энергетические состояния полупроводника. расположенные в запрещенной зоне и обусловленные присутствием в нем примесей и структурных дефектов. В зависимости от того, мало или сравнимо с шириной запрещенной зоны расстояние от примесного уровня до ближайшей разрешенной зоны, различают мелкие и глубокие примесные уровни. По способности примесного атома отдавать электрон в зону проводимости либо принимать его из валентной зоны примесные уровни разделяют на донорные и акцепторные [13, 42].

Мелкие примесные уровни, соответствующие примесям замещения (замещение атома кристалла примесным атомом), проявляют донорный характер, если валентность примесного атома превышает валентность атомов основного элемента, и акцепторной − при обратном соотношении. Глубокие примесные уровни обычно образуются при замещении атомов основного вещества атомами, отличающимися по валентности более чем на  . Такие примеси иногда способны образовывать несколько примесных уровней, соответствующих различным зарядовым состояниям, например, атомы меди в германии создают три примесных уровня, соответствующих ионам Cu1-, Cu2- и Cu3-. Глубокие примесные уровни, отвечающие разным ионам, могут иметь различный характер (одни могут быть донорными, другие − акцепторными).

В случае примесей внедрения донорный или акцепторный характер примесных уровней не зависит от их валентности, а определяется величиной электроотрицательности (см. гл. 2). Если электроотрицательность у примесных атомов больше, чем у атомов матрицы, то примесный уровень является акцепторным, в обратном случае − донорным. Одна и та же примесь может быть донором при замещении и акцептором при внедрении (например, кислород в кремнии) либо наоборот.

Примесные уровни локализованы вблизи дефектов. При очень высоких концентрациях примесей волновые функции, соответствующие примесным уровням, перекрываются, что приводит к «размыванию» примесных уровней в примесные зоны.

Как видно из рис. 9.15, в качестве примеси замещения выступает элемент пятой группы, мышьяк As. Энергетический уровень, соответствующий энергии связи пятого валентного электрона, находится ниже дна зоны проводимости. Этот энергетический уровень может быть свободен (что соответствует критерию ионизации донора) или занят электроном (что соответствует критерию нейтрального зарядового состояния донора).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.15. Схема, иллюстрирующая формирование энергетических уровней в запрещенной зоне для донорных и акцепторных примесей [103]

 

 

Для акцепторной примеси энергетический уровень, соответствующий энергии связи захваченного дополнительно электрона, находится выше вершины валентной зоны.  Этот энергетический уровень может быть заполнен электроном (что соответствует критерию ионизации акцептора) или свободен от электрона (что соответствует критерию нейтрального зарядового состояния акцептора).

Методы квантовой механики позволяют рассчитать значение энергетического положения локальных уровней и видов волновых функций. Эти методы достаточно громоздки и сложны. В отдельных случаях, например для атома водорода, когда потенциальная энергия в уравнении Шредингера (9.3) задается в кулоновском виде, возможно в аналитической форме получить выражение для спектра энергий электрона и вида волновых функций. Такой подход применительно к расчету энергетического положения донорных  и акцепторных уровней получил название водородоподобной модели.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Горелик Г. С., Колебания и волны. М., 2000.

2. Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов. М., 1996.

3. Киттель Ч.М. Введение в физику. М., 1998.

4. Ландсберг Г. С., Оптика (Общий курс физики, т. 3). М., 1997.

5. Савельев, Трофимов Курс физики, т.3. М., 1989.

6. Спасский Б.И. Физика в ее развитии. М., 1999.

7. Эйген М. , Шустер П. Большой энциклопедический словарь. М., 2005.