Полупроводниковые материалы

     Под действием внешнего электрического поля напряженностью Е происходит смещение связанных зарядов относительно своих устойчивых положений, т.е. происходит ориентация зарядов внешним электрическим полем. Это явление называется поляризацией. В результате в объеме диэлектрика возникает внутреннее электростатическое поле Е_ВН, обусловленное заряженными частицами самого вещества (рис.2.1), а суммарное поле в диэлектрике

     Е_Д = Е – Е_ВН>0.  

     Для количественной оценки степени поляризации  диэлектрика пользуются макроскопической характеристикой, называемой диэлектрической проницаемостью е. Различают абсолютную диэлектрическую проницаемость ε * и относительную, или просто диэлектрическую проницаемость ε. Абсолютная диэлектрическая проницаемость есть величина, характеризующая способность диэлектрика образовывать электрическую емкость; ее размерность — [Ф/м]. Связь между абсолютной и относительной диэлектрической проницаемостями определяется соотношением ε* = εε₀, где ε₀ — электрическая постоянная, характеризующая электрическое поле при отсутствии его взаимодействия с веществом, т.е. она характеризуют электрическое поле в вакууме: 

     Относительная диэлектрическая  проницаемость  ε является безразмерной величиной и определяется соотношением 

     С точки зрения существования внутреннего  электростатического поля в диэлектрике  относительная диэлектрическая проницаемость   показывает   во   сколько  раз   ослабляется   поле в диэлектрике по сравнению с полем в вакууме при одинаковом заряде, создающем это электрическое поле, т.е.

     .

     Электропроводностью называется способность  вещества проводить  электрический ток  под действием  постоянного электрического поля.

     В реальном диэлектрике за счет несовершенства структуры и наличия примесей имеется незначительное число свободных  носителей зарядов, перемещение которых под действием электрического поля создает ток сквозной проводимости или же ток утечки (I_СК).

     Смещение  связанных зарядов обусловливает  поляризационные токи или токи смещения, называемые токами абсорбции (I_аб). Они возникают только в момент включения и выключения внешнего электрического поля. В переменном электрическом поле токи смещения имеют место при изменении фазы напряженности внешнего поля, т.е. все время, пока приложено поле.

     Количественной  мерой электропроводности является удельная проводимость γ, равная заряду, протекающему в единицу времени через единичное сечение образца при единичной напряженности поля.

     Согласно  закона Ома, плотность тока j пропорциональна напряженности электрического поля Е. Коэффициентом пропорциональности является удельная проводимость, т.е.

j = γЕ

     С другой стороны j = qnυ, где п — концентрация носителей заряда, а υ — скорость направленного движения зарядов в электрическом поле напряженностью Е. Следовательно, можно записать γЕ = qnυ, откуда

. 

     Задача  №7

     Найти положение уровня Ферми в собственном  полупроводнике при комнатной температуре, оценить процентное отклонение  от полуширины запрещённой зоны.

     Варианты  полупроводников:

4. GaP
5. InAs

    Оцените влияние температуры на относительное  изменение положения уровня Ферми  для узко- и широкозонных полупроводников. 

    Уровень Ферми в собственном полупроводнике при комнатной температуре (T=300K) 

где  

    2) Для GaP E_g=2,25 (эВ), 

процентное отклонение  от полуширины запрещённой зоны 3,3% 

    3) Для InAs E_g=0,36 (эВ), 

процентное отклонение  от полуширины запрещённой зоны 17% 

    В процентном отклонении от зависит от материала (3,3% и 17%).       С ростом температуры уровень Ферми возрастает.

Список  литературы: 

1. Казанцев, А. П., Электротехнологические материалы: учеб. пособие

/ А. П. Казанцев. - Мн.: Дизайн ПРО, 1988, 2001 г.

2. Материалы и компоненты электронной техники: учеб.-метод. Пособие / А.П.Казанцев, В.И.Пачинин, П.П.Стешенко.-  Минск: БГУИР, 2010
3. Материал электронной техники: Учеб. для студ. вузов по спец. электронной техники. 3-е изд. – СПб.: Издательство «Лань», 2001. – 368с.