валентная зона и зона проводимости

Я только что начал читать некоторые основные концепции полупроводниковой электроники. У меня возникают проблемы, связанные со следующими моментами, поэтому было бы здорово, если бы вы могли решить следующие вопросы.

1. Почему валентная зона полностью заполнена при 0 К, а зона проводимости совершенно пуста при той же температуре?

Я знаю, что это как-то связано с третьим законом термодинамики, согласно которому система имеет минимальную случайность при 0 К, но если электроны находятся в одной зоне, это увеличивает случайность. Не так ли? Пожалуйста, дайте мне немного интуиции и поправьте меня, если я ошибаюсь. где-то.

2. Всегда ли число энергетических состояний в валентной зоне равно числу энергетических состояний в зоне проводимости в твердом состоянии полупроводника. количество энергетических состояний равно сумме максимально допустимых электронов во внешней оболочке атома

Например, кремний имеет 4 электрона (3s 2 , 3p 2 ) на внешней оболочке. Для n атомов кремния в твердом теле обязательно будет 8n состояний, которые поровну разделены между зонами проводимости и валентной зоной. состояния валентной зоны полностью заполнены, тогда как 4n состояний зоны проводимости пусты. Это тот случай, когда твердому полупроводнику не передается никакого возбуждения.

В принципе, я не мог понять, какая интуиция стоит за этими фактами. Мой учитель говорит, что это теория, и я должен ее опровергнуть. Но я не удовлетворен. Любая интуиция или рассуждения могут очень помочь.

3. Почему ширина обедненного слоя уменьшается, когда диод с pn-переходом находится под прямым смещением?

Я знаю, что при прямом смещении приложенное напряжение противоположно встроенному напряжению из-за накопления зарядов в слое обеднения. Также в этом случае диффузионный ток увеличивается во много раз, но дрейфовым током становится пренебрежимо мало.

4. Как работает трансформаторный выпрямитель с центральным отводом?

введите описание изображения здесь

Я не мог понять, какова роль центрального отвода в этом случае и как он помогает генерировать двухполупериодный пульсирующий постоянный ток.

Пожалуйста, не стесняйтесь отвечать, если у вас нет правильного представления о каком-либо одном или двух вопросах. Заранее спасибо.

Один вопрос за раз в stackexchange!

Ответы (1)

Что касается ваших вопросов:

  1. Валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости полностью пуста при T = 0 K, потому что это отличительная черта полупроводника, заключающаяся в том, что он становится изолятором при абсолютном нуле. Причина в том, что уровень Ферми расположен в запрещенной зоне между валентной зоной и зоной проводимости. Это также относится к изоляторам, ширина запрещенной зоны которых больше, чем у полупроводников. Напротив, металлы имеют уровень Ферми в (перекрывающихся) зонах, который остается частично пустым при T = 0 K, так что, в принципе, они являются проводниками вплоть до абсолютного нуля. При конечных температурах как в полупроводниках, так и в изоляторах число электронов, обладающих достаточной энергией для перехода из валентной зоны в зону проводимости (и, следовательно, число дырок, оставшихся в валентной зоне), пропорционально опыт ⁡ ( − Е г к Т ) . При 0 К как в полупроводниках, так и в изоляторах все электроны остаются в состоянии с наименьшей энергией в пределах валентной зоны. Переход от полупроводника к изолятору происходит постепенно. Обычно ширина запрещенной зоны полупроводников лежит в пределах от нескольких 0,1 эВ до 4,0 эВ, а ширина запрещенной зоны изолятора превышает 4,0 эВ.

  2. Принципиально верно, что при объединении n атомов в кристалл 8 разрешенных 3 с 2 3 п 2 энергетические состояния одного атома (4x2 за счет спина) в оболочке N=3 атома Si или Ge расщепляются на 4xn состояния в зоне проводимости и 4xn состояния в валентной зоне. Это обычный эффект связанных систем с одинаковыми уровнями энергии. Каждый энергетический уровень распадается на несколько немного отличающихся друг от друга энергий, что соответствует количеству партнеров по связыванию. Классическим примером является случай двух связанных гармонических осцилляторов, где одинаковые резонансные частоты разделяются на две резонансные частоты. Три связанных генератора имеют три резонансные частоты и т. д.

  3. При прямом смещении ширина истощения уменьшается, потому что приложенное напряжение уменьшает падение напряжения на слое пространственного заряда, ответственном за встроенное напряжение. При прямом смещении в квазинейтральных n- и p-областях диффузионные токи инжектированных неосновных носителей экспоненциально возрастают с напряжением, поскольку плотность инжектированных носителей увеличивается экспоненциально. Эти диффузионные токи частично продолжаются как дрейфовые токи, например, в зоне истощения и вблизи контактов.

  4. Легко понять. См., например, немецкую Википедию Mittelpunktgleichrichter , откуда берутся ваши графики.

спасибо за ваш ответ. Но ссылка, предоставленная вами в четвертом ответе, не дает необходимого ответа. Я уже проверил английскую страницу Википедии по той же теме, прежде чем публиковать вопрос. Мой главный вопрос - это механизм двухполупериодного выпрямителя. с помощью трансформатора с центральным отводом.
@navinstudent Я действительно предлагаю вам задать вопрос о выпрямителе отдельно. На данный момент немногие люди, имеющие опыт работы с электроникой, увидят это в вопросе под названием «Валентность и диапазоны проводимости». Имейте в виду, что есть также стек электротехники .
@navinstudent - я поддерживаю предложение Svavil опубликовать вопрос 4 выпрямителя как отдельный вопрос, чтобы сообщество могло лучше его распознать и ответить на него.
валентная зона и зона проводимости
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v