Консультация № 174666
29.11.2009, 11:18
35.00 руб.
0 2 2
Доброго времени суток, уважаемые эксперты Физики!
Помогите пожалуйста решить вот такую задачку, с комментариями. Дано: определить концентрацию электронов и дырок при Т=300К в образце германия, который имеет концентрацию донорных примесей 2*10^20 м^-3, а концентрацию акцепторных примесей 3*10^20 м^-3. Концентрация собственных носителей 2,1*10^19 м^-3. Заранее вам благодарен.
С уважением Анатолий.

Обсуждение

давно
Модератор
156417
2175
29.11.2009, 11:48
общий
это ответ
Здравствуйте, Иванов Анатолий Николаевич.
Рассмотрим, как образуется концентрация собственных носителей (для чистого полупроводника):
1) теполовое движение атомов может придать электрону одной из связей достаточную энергию для разрыва связи. При этом выделяется свободный электрон, а на месте разорванной связи образуется дырка. Скорость процесса образования собственных носителей при постоянной температуре практически постоянна и не зависит от наличия примесей.
2) Электрон и дырка могут рекомбинироваться. Скорость процесса рекомбинации прямо пропорциональна произведению концентраций электронов и дырок.
При этом в состоянии равновесия концентрация носителей заряда в полупроводнике постоянна, то есть оба процесса происходят с равной скоростью. Следовательно, произведение концентраций электронов и дырок является постоянной величиной (даже при наличии примесей) и равно n+*n-=ni2

Так как про энергию активации донорных и акцепторных примесей ничего не сказано, примем, что все все атомы донорных примесей отдали электрон, а атомы акцепторных примесей - присоединили. Очевидно, что разность концентраций электронов и дырок равна разности концентраций донорных и акцепторных примесей (так как собственные носители образуются в равных количествах).
То есть концентрация дырок на n+-n-=3*1020-2*1020=1*1020 м-3 больше чем электронов.
Выразим концентрацию дырок n+=n-+1020
С другой стороны, произведение концентраций n+*n-=n-*(n-+1020)=ni2=(2,1*1019)2
n-2+1020*n--4,41*1038=0
решаем полученное квадратное уравнение
n-=4,23*1018 м-3
n+=1,0423*1020 м-3
5
Отлично!
Неизвестный
29.11.2009, 12:15
общий
это ответ
Здравствуйте, Иванов Анатолий Николаевич.
Эта задача решается с применением двух законов:
1) закон электронейтральности: в термическом равновесии сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных
n + NA = p + ND
Здесь полагаем, что все атомы донорных и акцепторных примесей ионизованы, поскольку не задано ничего, что позволило бы определить степень их ионизации.
Для последнего должны быть заданы: энергетические уровни и показатель вырождения, или, примеси названы по имени. Для таких параметры известны.
2) Закон действующих масс:
np = ni2
Эти два закона образуют систему уравнений с двумя неизвестными. Следовательно, ее можно решить. Вот и решаем:
из второго:
p=ni2/n.
Подставим в первое:
n + NA = ni2/n + ND
Умножим на n, перенесем все в левую часть уравнения и объединим подобные (это элементарно):
n2 + (NA-ND)n -ni2 = 0
Решение: корни квадратного уравнения:
n1,2 = (-(NA-ND)+- ((NA - ND)2 +4ni2 ))/2
Концентрация всегда положительна, поэтому физический смысл имеет решение со знаком "плюс". Корень ВСЕГДА (кроме ni=0) больше (NA-ND).
Ну, теперь остается подставлять числовые значения и вычислять:
(NA - ND) = 3·1020 - 2·1020 = 1·1020
n = (-1·1020 + [$8730$](1·1040 + 4·4,41·1038))/2 м-3 = (-1·1020 + [$8730$](1,1764·1040))/2 м-3 = (-1·1020 + 1,08·1020)/2 м-3 = 8,46·1018/2 м-3 = 4,23·1018 м-3
Концентрация дырок находится из закона действующих масс:
p = ni2/n = (2,1·1019)^2/(4,23·1018) м-3 = 1,04·1020 м-3

По законам округления надо бы оставлять в результате только по две стоящих подряд значащих цифры (столько их в значении концентрации собственных носителей),
но тогда концентрация дырок "плохо" бы выглядела - в точности равной разностной концентрации, а на самом деле чуть побольше
5
Спасибо вам за подробные комментария.
Форма ответа