Какие носители заряда являются основными в полупроводнике с акцепторной примесью кратко
Обновлено: 02.07.2024
Отличительной особенностью полупроводников является их способность существенно увеличивать проводимость при добавлении примесей в кристалл.
Отличительной особенностью полупроводников является их способность существенно увеличивать проводимость при добавлении примесей в кристалл. Проводимость эта, в отличие от собственной, так и называется — примесная проводимость. Именно благодаря этому свойству полупроводники нашли столь широкое практическое применение.
Примесная проводимость полупроводника, в зависимости от вида примеси, может быть электронной — ее создают донорные примеси — либо дырочной — ее создают акцепторные примеси. Полупроводники с электронной проводимостью называются полупроводниками n-типа (от слова negative — отрицательный). Полупроводники с дырочной примесной проводимостью называются полупроводниками p-типа (от слова positive — положительный).
Донорные примеси .
Донорными примесями являются такие, добавление которых приводит к существенному увеличению концентрации свободных электронов в кристалле. Для того, чтобы примесь была донором электронов, необходимо, чтобы валентность элементов, ее составляющих, была больше валентности атомов решетки. Для кремния такой донорной примесью являются атомы пятивалентного мышьяка (As). Четыре электрона As участвуют в образовании парноэлектронной связи, а пятый электрон оказывается очень слабо связанным с атомом As и легко становится свободным.
Акцепторные примеси .
Акцепторные примеси приводят к увеличению концентрации дырок. В соответствии с вышесказанным, валентность атомов акцепторной примеси ниже валентности атомов решетки кристалла. Для кремния такой примесью является трехвалентный индий (In). Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями не хватает одного электрона. В результате образуется дырка. При наличии поля возникает дырочная проводимость.
В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными. В полупроводнике p-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными.
p - n Переход .
p-n-Переход — это простейшая полупроводниковая структура, которая используется в большинстве полупроводниковых приборов. Для получения p-n-перехода полупроводниковый образец легируют (вводят в него примеси) таким образом, чтобы в одной его части преобладали донорные примеси, а в другой — акцепторные, в результате получают контакт полупроводника n-типа с полупроводником p-типа.
Если теперь поменять полярность приложенного напряжения U, то ток через p-n-переход практически не идет, т. к. переход через контакт осуществляется неосновными носителями, которых мало. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода изображена на рисунке ниже.
Здесь правая часть графика — это прямой переход (осуществляемый основными носителями), левая, пунктирная часть — обратный переход (осуществляемый неосновными носителями). Свойства p-n-перехода используются для выпрямления переменного тока в устройствах, которые называются полупроводниковыми диодами.
Носителями ( основными) являются ДЫРКИ, неосновные электроны.
Это полупроводники р - типа ( позитив - положительный) по знаку основного носителя ( дырка - положительна).
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.
Удельное сопротивление полупроводников существенно меняется при введении в их кристаллическую решетку определенного количества специально подобранных химических добавок - примесей. Например, введение одного атома бора на 10 5 атомов кристалла кремния обеспечивает увеличение электропроводности при комнатной температуре в 1000 раз.
Полупроводники, электрические характеристики которых определяются примесями, носят название примесных полупроводников, а обусловленная внедрением примесей электропроводность - примесной электропроводностью. Большинство полупроводниковых приборов изготавливают на основе примесных полупроводников. В рабочем диапазоне температур поставщиками основного количества носителей заряда в примесном полупроводнике должны быть примеси. Поэтому важнейшее практическое значение имеют полупроводниковые материалы, у которых ощутимая собственная концентрация носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, то есть полупроводники с достаточно большой шириной запрещенной зоны.
В полупроводниках, состоящих из атомов одного химического элемента, примесями являются чужеродные атомы, которые замещают часть основных атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки.
В полупроводниках, состоящих из атомов нескольких химических элементов, примесями могут быть как чужеродные атомы, так и избыточные по отношению к стехиометрическому составу атомы химических элементов, образующих сложный полупроводник.
Помимо атомов посторонних химических элементов роль примесей могут играть различные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, дислокации или сдвиги, возникающие при пластических деформациях, и т.д. В связи с этим вместо термина “примесная электропроводность” иногда используют более общий термин - “дефектная электропроводность”
Механизм примесной электропроводности зависит от типа используемой примеси.
Рассмотрим кристалл кремния, в котором часть основных атомов кристаллической решетки замещена примесными атомами фосфора. У атома фосфора пять валентных электронов, четыре из которых участвуют в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый электрон оказывается избыточным. Из-за большой диэлектрической проницаемости полупроводника кулоновское притяжение избыточного электрона ядром фосфора в значительной мере ослаблено, поэтому радиус орбитали избыточного электронаоказывается большим и может доходить до несколько межатомных расстояний (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Внедрение донорной примеси в кристалл кремния
Достаточно небольшого энергетического воздействия, чтобы оторвать избыточный электрон от примесного атома и сделать его свободным, при этом атом примеси превращается в положительно заряженный ион, неподвижно закрепленный в узле кристаллической решетки. Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам, поэтому электропроводность полупроводника становится преимущественно электронной. Такие примесные полупроводники называются электронными (донорными) полупроводниками или полупроводниками n-типа, а примеси, обусловливающие электронную проводимость - донорными примесями. В отличие от собственных полупроводников образование свободных электронов, обусловленное донорными примесями, не сопровождается образованием дырок, поэтому в полупроводниках n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями заряда - дырки. Наиболее распространенными донорными примесями по отношению к кристаллам кремния и германия являются атомы пятой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева: фосфор, мышьяк, сурьма, висмут.
Минимальная энергия, которую необходимо сообщить избыточному электрону донорной примеси, чтобы сделать его свободным, называется энергией ионизации донорной примеси. Энергию ионизации донорной примеси можно оценить на основе простой модели, подобной боровской модели водородоподобного атома. Согласно этой модели избыточный электрон примесного атома движется по круговой орбите в кулоновском поле сил положительного иона, ослабленном диэлектрическими свойствами кристалла полупроводника. Учитывая относительную диэлектрическую проницаемость ε полупроводника и используя в качестве массы электрона его эффективную массу в кристалле, получим выражение для энергии ионизации донорной примеси:
| Δ E n = e 4 m n * 2 ( 4 π ε ε 0 ℏ ) 2 . | (1.52) |
Для кремния ε = 11,7; m n * ≈ 0,2 m е , в результате формула (1.52) дает оценочный результат Δ E n ≈ 0,02 эВ, тогда как экспериментальное значение энергии ионизации фосфора в кремнии составляет 0,044 эВ.
Энергии ионизации других донорных примесей в кремнии и германии являются величинами того же порядка, что и для фосфора (см. табл. 1.1).
Значение энергии ионизации пятивалентных примесей в германии и кремнии
Энергия ионизации Δ E n , эВ
Значения энергии ионизации трехвалентных примесей в германии и кремнии
Энергия ионизации Δ E p , эВ
Если в кристаллическую решетку кремния в качестве примеси внедрить атомы какого-либо трехвалентного элемента, например, бора, то для установления химических связей с четырьмя соседними атомами кристаллической решетки у примесного атома не хватает одного электрона, вследствие чего одна ковалентная связь оказывается ненасыщенной, то есть образуется вакансия (дырка). Потребность в установлении четырех химических связей приводит к тому, что атом бора может захватить недостающий электрон у одного из соседних атомов кремния. Захваченный электрон локализуется в примесном атоме и не принимает участия в создании электрического тока, так как атом-акцептор достроил свою оболочку до устойчивого состояния. В результате примесный атом превращается в отрицательный ион, неподвижно закрепленный в узле кристаллической решетки, а вблизи атома кремния, отдавшего электрон, появляется вакантное энергетическое состояние - дырка. За счет эстафетного перехода электронов от одного атома к другому дырка может перемещаться по кристаллу (рис. 1.14).
Рис. 1.14. Внедрение акцепторной примеси в кристалл кремния
Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам, поэтому электропроводность полупроводника становится преимущественно дырочной. Такие примесные полупроводники называются дырочными (акцепторными) полупроводниками или полупроводниками p-типа, а примеси, обусловливающие дырочную проводимость - акцепторными примесями. В отличие от собственных полупроводников образование свободных дырок, обусловленное акцепторными примесями, не сопровождается образованием свободных электронов, поэтому в полупроводниках p-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - свободные электроны. Наиболее распространенными акцепторными примесями по отношению к кристаллам кремния и германия являются атомы третьей группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева: бор, алюминий, галлий, индий.
Минимальная энергия, необходимая атому-акцептору, чтобы захватить у соседнего атома кристаллической решетки электрон, недостающий для образования устойчивой электронной оболочки, называется энергией ионизации акцепторной примеси.
Численно величина энергии ионизации акцепторной примеси близка к энергии ионизации донорной примеси (см. табл. 1.2).
Следует отметить, что для полупроводников типа A III B V (GaAs, InSb, GaP, InP и т.п.), донорными примесями являются элементы VI группы (Te), а акцепторными - элементы II группы (Cd, Zn). Донорные атомы замещают атомы элемента B, а акцепторные - атомы элемента А с образованием соответственно свободного электрона и дырки.
Часто в полупроводнике одновременно присутствуют и донорные, и акцепторные примеси, в концентрациях N Д и N А соответственно. Если N Д > N А , то при температуре абсолютного нуля все акцепторные уровни заполняются электронами, а число заполненных донорных уровней уменьшается до ( N Д − N А ) . При повышении температуры электроны именно этих уровней переходят в зону проводимости, так как для перехода в зону проводимости электронов акцепторных уровней требуется гораздо большая энергия. Разность ( N Д − N А ) называют эффективной концентрацией донорных атомов.
Если N А > N Д , то при температуре абсолютного нуля электроны со всех донорных уровней переходят на акцепторные уровни, а число свободных акцепторных уровней уменьшается до ( N А − N Д ) . При повышении температуры происходит переход электронов из валентной зоны на свободные акцепторные уровни, так как для перехода электронов с заполненных акцепторных уровней в зону проводимости требуется гораздо большая энергия. Разность ( N А − N Д ) называют эффективной концентрацией акцепторых атомов.
Полупроводник, у которого концентрации донорной и акцепторной примесей равны, называется скомпенсированным полупроводником. Скомпенсированный полупроводник имеет такую же удельную проводимость, как и собственный, но отличается от последнего рядом электрофизических параметров, поскольку наличие примесей вызывает искажения кристаллической решетки.
С точки зрения модели энергетических зон примеси или дефекты кристаллической решетки создают энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне, разделяющей валентную энергетическую зону и зону проводимости. Процентное содержание примесных атомов обычно очень мало, а расстояния между ними достаточно велики, следовательно, по отношению друг к другу их можно рассматривать как изолированные атомы, энергетические уровни которых не расщепляются и не образуют энергетических зон.
Донорная примесь образует локальный энергетический уровень (донорный уровень), расположенный в запрещенной энергетической зоне вблизи дна зоны проводимости, занятый в невозбужденном состоянии электроном. При возбуждении донорная примесь отдает электрон в зону проводимости. Расстояние между донорным уровнем и дном зоны проводимости равно энергии ионизации донорной примеси.
Акцепторная примесь образует локальный энергетический уровень (акцепторный уровень), расположенный в запрещенной энергетической зоне вблизи потолка валентной зоны, свободный от электрона в невозбужденном состоянии. При возбуждении акцепторная примесь захватывает электрон из валентной зоны. Расстояние между акцепторным уровнем и потолком валентной зоны равно энергии ионизации акцепторной примеси.
С увеличением концентрации примесей расстояния между примесными атомами уменьшаются и их энергетические уровни постепенно превращаются в примесные энергетические зоны. При достижении определнной концентрации примесей примесные энергетические зоны сливаются с ближайшими энергетическими зонами кристалла, в результате чего образуется зонная структура, близкая к зонной структуре металлов. Такой примесный полупроводник называют вырожденным полупроводником или полуметаллом.
Некоторые примеси обладают сравнительно высокой энергией ионизации и образуют энергетические уровни, расположенные вблизи середины запрещенной зоны (например, золото в кремнии). Введение таких примесей существенно облегчает как генерацию, так и рекомбинацию свободных электронов за счет двухступенчатых переходов из одной разрешенной зоны на примесный уровень и с примесного уровня в другую разрешенную зону. Энергетические уровни примесей с высокой энергией ионизации называют генерационно-рекомбинационными центрами.
Существуют примеси, создающие энергетические уровни (ловушки), расположенные вблизи середины верхней или нижней половин запрещенной зоны. Такие уровни в отличие от генерационно-рекомбинационных центров захватывают носители из ближайшей разрешенной энергетической зоны и через некоторое время отдают их в ту же зону, поскольку расстояние до другой разрешенной зоны значительно больше.
Следует отметить, что многие примеси создают в запрещенной зоне по 2-3 уровня.
Эти примеси также играют значительную роль в полупроводниковой электронике. Например, золото в кремнии создает два уровня: один в середине, другой - в нижней половине запрещенной зоны. Первый из этих уровней является генерационно-рекомбинационным центром, а второй - донорным уровнем. Этот факт объясняется возможностью некоторых примесных атомов захватывать не один, а два и больше электронов.
- вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R ) увеличивается. Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.
Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.
При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик.
Полупроводники чистые (без примесей)
Если полупроводник чистый( без примесей), то он обладает собственной проводимостью? которая невелика.
Собственная проводимость бывает двух видов:
При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны - сопротивление уменьшается.
При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном - "дырка".
Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.
Кроме нагревания , разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением ( фотопроводимость ) и действием сильных электрических полей
Полупроводники при наличии примесей
- являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.
Это проводники " n " - типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда - электроны, а неосновной - дырки.
Это полупроводники " p "- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда - дырки, а неосновной - электроны.
"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) - область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).
В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой.Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.
При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников.
Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.
При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.
Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.
Полупроводни́к p-ти́па — полупроводник, в котором основными носителями заряда являются дырки. Полупроводники p-типа получают методом легирования собственных полупроводников акцепторами.
Какие носители заряда являются основными в полупроводниках р типа?
В полупроводнике Р типа основные носители заряда - ДЫРКИ.
Какие носители заряда считаются основными в Акцепторных полупроводниках?
Дырки в акцепторном полупроводнике принято называть основными носителями, а электроны - неосновными.
Какие носители заряда являются основными в полупроводнике с акцепторной примесью а какие в полупроводнике с донорной примесью?
Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны. . Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей тока — электронов или дырок.
Какие носители тока являются не основными в полупроводниках n типа?
Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике больше, называют основными, а носители, концентрация которых меньше, — не основными. Так, в полупроводнике n-типа электроны — основные носители, дырки — не основные.
Что является основными носителями заряда в полупроводнике n типа?
Полупроводники n-типа — полупроводник, в котором основные носители заряда — электроны проводимости.
Что является носителем заряда в Газе?
Свободные заряды в газе . Опыт показывает, что электрический ток в газах является упорядоченным движением заряженных частиц трёх видов. Это электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.
Какие носители заряда считаются основными в полупроводниках?
Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями, а дырки — неосновными, в полупроводнике p-типа соответственно наоборот.
Что является носителем зарядов в электролитах при протекании тока?
Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы.
Какие носители тока являются основными в полупроводниках?
Преобладающие носители заряда в полупроводнике называются основными. Так в полупроводнике n–типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки, а в полупроводнике р–типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны.
Что такое основные и неосновные носители заряда?
Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике больше, называют основными, а носители, концентрация которых меньше, - не основными. . В полупроводнике p-типа: дырки - основные, электроны - неосновные.
Что такое диффузия носителей в полупроводнике?
Диффузия носителей заряда в полупроводниках сопровождается рекомбинацией носителей заряда в полупроводниках. В результате при биполярной диффузии неравновесных носителей диффузионный поток проникает на расстояния порядка диффузионной длины носителей от источника неравновесных носителей.
Какие вещества относятся к полупроводникам?
К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).
Как возникают свободные носители заряда в полупроводнике?
Дырка обладает положительным электрическим зарядом, равным по величине заряду электрона. . Поэтому свободные носители заряда в полупроводнике возникают вследствие флюктуаций тепловой энергии электронов. При отсутствии внешнего электрического поля дырка, как и электрон, совершает хаотическое движение в пределах кристалла.
Как возникает электронная проводимость в полупроводниках n типа?
В чем состоит механизм проводимости полупроводника n типа?
По виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип. Полупроводник n-типа имеет примесную природу и проводит электрический ток подобно металлам. . Таким образом перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам.
Читайте также: