Физика полупроводников
Полупроводники — это материалы, чья умеренная ширина запрещенной зоны позволяет регулировать их проводимость температурой, легированием и приложенными полями, что делает их физической основой современной электроники.
Definition
Физика полупроводников — это применение электронной зонной теории к материалам с достаточно малой шириной запрещенной зоны, чтобы термическое возбуждение и легирование заполняли зону проводимости и валентную зону подвижными электронами и дырками, концентрации и движение которых можно контролировать для создания электронных устройств.
Scope
Эта область охватывает физику полупроводниковых твердых тел: собственное и примесное (легированное) поведение, статистику носителей заряда (электронов и дырок), положение уровня Ферми, формирование p-n переходов и изгиб зон на границах раздела, а также оптическое поглощение и транспортные свойства, управляющие работой устройств. Она применяет зонную теорию к материалам с малой шириной запрещенной зоны и связывает микроскопическую электронную структуру с работой диодов, транзисторов и оптоэлектронных устройств, оставляя детали проектирования устройств прикладным областям.
Sub-topics
Core questions
- Как малая ширина запрещенной зоны полупроводника делает концентрацию его носителей чувствительной к температуре и легированию?
- Какова роль дырок и как донорные и акцепторные примеси создают материал n-типа и p-типа?
- Как p-n переход выпрямляет ток посредством изгиба зон и встроенного потенциала?
- Что определяет оптическое поглощение и подвижность носителей, которые управляют полупроводниковыми приборами?
Key concepts
- Запрещенная зона, зона проводимости и валентная зона
- Электроны и дырки как носители заряда
- Донорное и акцепторное легирование (n-тип и p-тип)
- Уровень Ферми и статистика носителей заряда
- p-n переход, встроенный потенциал и выпрямление
Key theories
- Статистика носителей заряда и закон действующих масс
- Равновесные концентрации электронов и дырок определяются плотностью состояний и статистикой Ферми-Дирака; их произведение фиксировано при данной температуре, поэтому легирование, увеличивающее концентрацию одного типа носителей, подавляет другой.
- Выпрямление p-n переходом
- Соединение материалов p-типа и n-типа выравнивает уровень Ферми, изгибая зоны и создавая обедненную область со встроенным полем, которое позволяет току легко течь только в одном направлении, что является основой диода.
Clinical relevance
Физика полупроводников является основой всей индустрии электроники и информационных технологий: диоды, транзисторы, интегральные схемы, солнечные элементы, светодиоды, лазеры и фотодетекторы — все они основаны на физике носителей заряда и переходов, разработанной в этой области.
History
Квантовая теория зон объяснила полупроводниковое поведение в 1930-х годах, а изобретение точечно-контактного и плоскостного транзисторов Бардином, Браттейном и Шокли в Bell Labs в 1947–1948 годах превратило физику полупроводников в основу современной электроники и последующей революции в микроэлектронике.
Key figures
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
Related topics
Seminal works
- sze2007
- ashcroft1976
Frequently asked questions
- Что такое дырка?
- Дырка — это отсутствие электрона в полностью заполненной валентной зоне; она ведет себя как положительно заряженный подвижный носитель, и отслеживание дырок гораздо проще, чем отслеживание множества электронов, которые движутся, чтобы их заполнить.
- Почему добавление крошечных количеств примесей так резко меняет проводимость?
- Донорные или акцепторные атомы вводят энергетические уровни непосредственно внутри запрещенной зоны, которые легко ионизируются при комнатной температуре, поэтому даже легирование в масштабе частей на миллион может изменить концентрацию свободных носителей на многие порядки величины.