Примесная проводимость полупроводников

Механизм проводимости полупроводника

В кристалле полупроводника каждый атом связан с четырьмя соседними атомами двухэлектронными ковалентными связями. При повышении температуры, в соответствии с формулами термодинамики, некоторые электроны в связях получают такую высокую энергию, что могут покинуть связь, и переместиться в пространство между другими атомами, становясь свободными. Такую проводимость называют электронной.

В связи, которую покинул этот электрон, оказывается «вакантное» место. Такая связь называется дыркой. Поскольку при приближении к атому электрон может продолжить движение по любой из четырех связей – дырка может быть занята другим электроном, при этом дырка образуется в другой связи – переместится в противоположном направлении. Получается, что дырка также может двигаться, перенося заряд. Такую проводимость называют дырочной.

Рис. 1. Электронная и дырочная проводимость полупроводника.

Полупроводники n типа

Внесение в полупроводник примесей существенно влияет на поведение электронов и энергоуровни спектра кристалла. Валентные электроны примесных атомов создают энергетические уровни в запрещенной зоне спектра. К примеру, если в решетке германия один атом замещен пятивалентным атомом фтора, то энергия дополнительного электрона станет меньше, чем энергия, которая соответствует нижней границе зоны проводимости. Энергетические уровни подобных примесных электронов находятся ниже дна зоны проводимости. Эти уровни заполненные электронами называют донорными. Для перевода электронов с донорных уровней в зону проводимости необходима энергия меньше, чем у чистого полупроводника. После того как электроны переброшены в зону проводимости с донорных уровней, говорят, что в полупроводнике появилась проводимость n-типа. Полупроводники с донорной примесью называют электронными (донорными) или полупроводниками n-типа (negative — отрицательный). Электроны в полупроводниках n — типа служат как основные носители заряда, дырки — неосновными. Энергетическая диаграмма такого полупроводника изображена на рис.1.

Готовые работы на аналогичную тему

Курсовая работа Полупроводники p и n типа, p-n переход 400 ₽ Реферат Полупроводники p и n типа, p-n переход 220 ₽ Контрольная работа Полупроводники p и n типа, p-n переход 250 ₽
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

Примесная проводимость

Рассмотренные виды проводимости – это виды собственной проводимости полупроводника. Такая проводимость невелика, поскольку при повышении температуры происходят нарушения связей в кристалле, которые могут необратимо разрушить весь кристалл. Как правило, это происходит на температурах порядка 370-400K.

Для увеличения проводимости полупроводника можно поступить иначе – создать кристаллическую решетку, в которой будут сразу иметься готовые носители.

Для создания кристаллической решетки с большим числом носителей при выращивании кристалла полупроводника в него добавляют специальные вещества-примеси. Поэтому такая проводимость называется примесной.

Кристаллическую решетку с примесной проводимостью можно создать двумя способами.

Донорная проводимость

В четырехвалентном кремнии все электроны участвуют в создании ковалентных связей кристалла. Если некоторые атомы в кристалле будут пятивалентны, один электрон этих атомов не будет участвовать в связях. В результате он будет гораздо слабее связан со своим атомом, его подвижность будет выше даже без повышения температуры.

Примесная проводимость полупроводника, в которой пятивалентные атомы являются источником свободных электронов, называется донорной.

В качестве донорной примеси чаще всего используются пятивалентные либо мышьяк, либо сурьма.

Полупроводники, имеющие донорную примесную проводимость, называются полупроводниками n-типа.

Рис. 2. Донорная примесь полупроводника.

Акцепторная проводимость

Другой вариант примесной проводимости – добавление в кристалл трехвалентных атомов. В этом случае, одна из связей трехвалентного атома будет одноэлектронной. Образуется дырка, которая может заполняться электронами соседних атомов.

Примесная проводимость полупроводника, в которой трехвалентные атомы образуют дырки в кристалле, называется акцепторной.

В качестве акцепторной примеси чаще всего используются трехвалентные индий или галлий.

Полупроводники, имеющие акцепторную примесную проводимость, называются полупроводниками p-типа.

Рис. 3. Акцепторная примесь полупроводника.

Нередко в полупроводник добавляют примеси обоих типов. Общий тип проводимости такого кристалла определяется примесью, концентрация которой выше.

Примесные полупроводники

полупроводники

В статье проводимость полупроводников мы выяснили, что в беспримесном (собственном) полупроводнике, движение носителей заряда осуществляется за счёт процессов термогенерации и рекомбинации.

В примесных полупроводниках носители заряда создаются благодаря вводимой в кристалл примеси. Это делается для того чтобы создать полупроводник электронной или дырочной проводимости. В полупроводнике электронной проводимости (n -типа) основными носителями заряда являются электроны, а полупроводнике дырочной проводимости (p -типа) – дырки.

Чтобы создать примесный полупроводник n – типа, в кристалл вводят донорную примесь. Донорной она называется потому, что добавляет электроны в структуру кристалла. Например, если в кремний ввести атом элемента из 5 группы таблицы Менделеева, то получится избыточный электрон. Это произойдёт потому, что кремний, имеющий 4 валентных электрона, образует ковалентную связь только с 4 электронами фосфора, который имеет 5 валентных электронов. Получается, один электрон окажется слабо соединённым со своим атомом, и достаточно даже небольшого воздействия, чтобы он его покинул и перешёл в зону проводимости. При этом атом примеси становится положительным ионом.

Избыточные электроны на энергетической диаграмме располагаются на так называемых локальных валентных уровнях. Эти уровни расположены в запрещенной зоне совсем рядом с зоной проводимости. Для того чтобы попасть в неё, электронам локального уровня необходимо получить около 0,1 эВ. Выходит, что в зоне проводимости оказываются в основном электроны созданные примесью, так как им легче перейти в неё, чем тем электронам, который находятся в валентной зоне и которым необходимо перейти всю запрещенную зону. Поэтому электронов оказывается во много раз больше чем дырок, и они являются основными носителями, а дырки неосновными.

Чтобы создать полупроводник p— типа, в кристалл вводится акцепторная примесь. Например, если ввести в кристалл германия атом индия, то в результате получится положительный нескомпенсированный заряд. Это произойдёт потому, что германий имеет 4 валентных электрона, а индий 3. Индий образует ковалентную связь с тремя ближайшими атомами германия, а одна связь будет разрушена и на её месте останется дырка. При незначительном увеличении температуры соседние электроны займут эту дырку, но тем сам они оставят её в другом месте. Таким образом, получится движение положительного заряда. На рисунке показано, где может располагаться дырка в примесном атоме и электрон, который с увеличением температуры займет её место.

На энергетической диаграмме, дырки акцепторной примеси создают локальные валентные уровни в запрещенной зоне, вблизи валентной зоны. Энергия, которая требуется для перехода электронам на локальные уровни, крайне мала, поэтому при воздействии температуры, все они оказываются заполненными электронами, перешедшими из валентной зоны. В связи с этим, в валентной зоне повышается концентрация дырок, вызванная акцепторной примесью. Следовательно, основными носителями заряда в полупроводнике являются дырки, образованные примесью, а электроны являются неосновными носителями.

Концентрация носителей заряда зависит от температуры. При самых низких температурах, в зону проводимости начинают проходить электроны примеси. Это продолжается до некоторого значения, пока все электроны не перейдут. Затем с дальнейшим ростом температуры начинает происходить процесс термогенерации и образовываться новые электроны и дырки. В конечном итоге может стать так, что количество дырок будет примерно соответствовать количеству электронов, другими словами произойдет вырождение полупроводника.

2.43 (15 Голоса)

Назад
Вперед

Просмотров:

Собственная проводимость полупроводников

В полупроводниках основная зона разделена с зоной возбужденных уровней конечным интервалом энергий ($\triangle E$). Основную зону полупроводника называют валентной зоной, зону возбужденных состояний — зоной проводимости. При T=0 К валентная зона заполнена целиком, при этом зона проводимости свободна. Следовательно, вблизи абсолютного нуля полупроводники не проводят ток. Вообще говоря, диэлектрики и полупроводники отличаются с точки зрения зонной теории, только шириной запрещенной зоны ($\triangle E$). Условно к диэлектрикам относят полупроводники у которых $\triangle E>2эВ.$
Примечание 1

У полупроводников с повышением температуры электроны обмениваются энергией с ионами кристаллической решетки. Из-за этого электрон может обрести добавочную кинетическую энергию размера $\approx kT.\ $Этой энергии может хватить для того, чтобы некоторую часть электронов перевести в зону проводимости. Эти электроны в зоне проводимости проводят ток.

Помощь со студенческой работой на тему Собственная и примесная проводимость полупроводников

Курсовая работа 460 ₽ Реферат 260 ₽ Контрольная работа 210 ₽

Получи выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

В валентной зоне освобождаются квантовые состояния, которые не заняты электронами. Такие состояния получили названия дырок. Дырки являются носителями тока. Электроны могут рекомбинировать с дырками (совершать квантовые переходы в незаполненные состояния, то есть дырки). Прежние заполненные состояния в этом случае освобождаются, то есть становятся дырками. Последние рекомбинируют с новыми электронами, вновь образуются дырки. В результате этих процессов устанавливается равновесная концентрация дырок, эта концентрация одинакова по всему объему проводника, если нет внешнего поля. Квантовый переход электрона сопровождается его перемещением против поля. Он уменьшает потенциальную энергию системы. Переход, связанный с перемещение в направлении поля увеличивает потенциальную энергию системы. Переходы против поля преобладают над переходами по полю, что значит, через полупроводник начнет течь ток в направлении приложенного электрического поля. В незамкнутом полупроводнике ток будет течь, пока электрическое поле не будет компенсировать внешнее поле. Конечный результат явления такой же, как если бы носителями тока были не электроны, а положительно заряженные дырки. Следовательно, различают электронную и дырочную проводимость полупроводников.

Появились вопросы по этой теме? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос

Истинными носителями тока в металлах и полупроводниках реальны электроны, дырки введены формально. Дырок, как реально существующих положительно заряженных частиц не существует. Однако, оказалось, что в электрическом поле дырки перемещаются так, как двигались бы при классическом рассмотрении положительно заряженные частицы. Из-за небольшой концентрации электронов в зоне проводимости, дырок в валентной зоне можно применять классическую статистику Больцмана.

Примечание 2

Проводимость полупроводников, и электронная, и дырочная не связана с наличием примесей. Она называется собственной электропроводностью полупроводников.

В идеально чистом полупроводнике без всяких примесей каждому освобожденному тепловым движением или светом электрону соответствовало бы образование одной дырки, то есть количество электронов и дырок, которые участвуют в создании тока, было бы одинаково.

Идеально чистые полупроводники в природе не существуют, изготовить из искусственно крайне сложно. Малые следы примесей качественным образом изменяют свойства полупроводников.

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупроводниками. Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов (по сравнению со стехиометрическим составом), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т.д.) дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 106 раз.

В полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны; возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни утих примесей – донорными уровнями.

Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 22, а) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен от атома, т. е. стать свободным. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи; следовательно, в отличие от случая, рассмотренного ранее, дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.

Рис. 22

С точки зрения зонной теории рассмотренный процесс можно представить следующим образом (рис. 22, б). Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ΔЕD = 0,013 эВ. Так как ΔЕD< kT, то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют.

В полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомом, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проводимость р-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками р-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями.

Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 23, а). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона,одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнею атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т.е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избыточный же отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и по решетке перемещаться не может.

a) б)

Рис. 23

По зонной теории, введение трехвалентной примеси в решетку кремния приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровни А, не занятого электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии ΔЕА=0,08 эВ (рис. 23, 6). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами бора, теряют способность перемещаться по решетке кремния, т. е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

В отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами н дырками, примесная проводимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака: электронами — в случае донорной примеси, дырками — в случае акцепторной. Эти носители тока называются основными. Кроме основных носителей в полупроводнике имеются и неосновные носители: в полупроводниках n-типа – дырки, в полупроводниках р-типа – электроны.

Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно изменяет положение уровня Ферми ЕF . Расчеты показывают, что в случае полупроводников n-типа уровень Ферми ЕFпри 0 К расположен посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем (рис. 24, а). С повышением температуры все большее число электронов переходит из донорных состояний в зону проводимости, но, помимо этого, возрастает и число тепловых флуктуации, способных возбуждать электроны из валентной зоны и перебрасывать их через запрещенную зону энергий. Поэтому при высоких температурах уровень Ферми имеет тенденцию смещаться вниз (сплошная кривая) к своему предельному положению в центре запрещенной зоны, характерному для собственного полупроводника.

Рис. 24

Уровень Ферми в полупроводниках р-типа при 0 К располагается посередине между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем (рис.24, б). Сплошная кривая опять-таки показывает его смещение с температурой. При температурах, при которых примесные атомы оказываются полностью истощенными и увеличение концентрации носителей происходит за счет возбуждения собственных носителей, уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны, как в собственном полупроводнике.

Проводимость примесного полупроводника, как и проводимость любого проводника, определяется концентрацией носителей и их подвижностью. С изменением температуры подвижность носителей меняется по сравнительно слабому степенному закону, а концентрация носителей – по очень сильному экспоненциальному закону, поэтому зависимость проводимости примесных полупроводников от температуры определяется в основном температурной зависимостью концентрации носителей тока в нем. На рис. 25 дан примерный график зависимости lnγ от 1/Т для примесных полупроводников. Участок АВ описывает примесную проводимость полупроводника.

Рост примесной проводимости полупроводника с повышением температуры обусловлен в основном ростом концентрации примесных носителей. Участок ВС соответствует области истощения примесей (это подтверждают и эксперименты), участок СD описывает собственную проводимость полупроводника.

Рис. 25