Собственная и примесная проводимость полупроводников

3. Собственная и примесная проводимость полупроводников

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Различают собственныеи примесные полупроводники. К числусобственных относятся чистые полупроводники(т.е полупроводники без примесей или сконцентрацией примеси настолько малой,что она не оказывает существенноговлияния на удельную проводимостьполупроводника). Проводимостьтакихчистых полупроводников называетсясобственной.

В примесныхполупроводниках электрические свойстваопределяются примесями, вводимымиискусственно в очень малых количествах.Например, введение в кремний всего лишь0,001% бора увеличивает его проводимостьпри комнатной температуре примерно в1000 раз.

Проводимостьполупроводников, обусловленная примесями,называется примесной проводимостью.

На рисунке 5апоказаны энергетические зоны собственногополупроводника при T=0.

Валентная зонаполностью заполнена электронами, зонапроводимости полностью свободна. УровеньФерми располагается по серединезапрещённой зоны. При T=0тепловое движение отсутствует, аэлектрическое поле не может переброситьэлектроны из валентной зоны в зонупроводимости, поэтому собственныеполупроводники ведут себя приT=0как диэлектрики.

При температуреT>0, часть электроновс верхних уровней валентной зоныпереходит на нижние уровни проводимостиза счёт энергии теплового движения(рис.5б).

Если приложить внешнееэлектрическое поле, то электроны зоныпроводимости будут перемещаться исоздавать электрический ток. Электронычастично заполненной зоны проводимостиявляются отрицательными носителямизаряда.

Такая проводимость полупроводниковназывается электронной.

а)б)

Рис.5. Энергетическиедиаграммы собственного полупроводника

а – при T=0; б – приT>0

Энергия, которуюнеобходимо сообщить полупроводнику,чтобы электроны могли преодолетьзапрещённую зону, называется энергиейактивации.

После удаления части электроновс верхних уровней валентной зоны в нейобразуются вакантные места, дырки,которые ведут себя во внешнем поле какчастицы с положительным зарядом. Дыркиявляются положительными носителямизаряда в полупроводниках.

Во внешнемэлектрическом поле дырки движутся всторону, противоположную электронам.Такого рода проводимость называетсядырочной. Таким образом, у собственныхполупроводников наблюдается двоякогорода проводимость: электронная идырочная.

Процесс образованияэлектронно-дырочных пар называетсягенерациейносителей.

Одновременнопроисходит обратный процесс, называемыйрекомбинацией, когда электронвозвращается из зоны проводимости ввалентную зону. При этом из проводимостикристалла исключаются два носителязарядов: электрон и дырка.

В собственномполупроводнике при каждой температуреустанавливается равновесие междупроцессами генерации и рекомбинации,при котором концентрации электронов идырок одинаковы.

4. Примесная проводимость полупроводников

Примеснаяпроводимость возникает, если некоторыеатомы в узлах решётки полупроводниковзамещены атомами, валентность которыхотличается на единицу от валентностиосновных атомов.

На рисунке 6 условноизображена решётка германия. Он имеетрешётку типа решётки алмаза, в которойкаждый атом окружён четырьмя ближайшимисоседями, связанными с ним валентнымисвязями.

Рис.6. Плоскаямодель решетки германия

Предположим, чточасть атомов германия замещена атомамипятивалентного мышьяка (рис.7). Дляустановления связи с четырьмя ближайшимисоседями атом мышьяка использует 4валентных электрона (рис.7а). Пятыйэлектрон в образовании связей неучаствует. Он связан со своим атомомслабее. Энергия связи его составляет=0,015эВ.

При сообщении электрону такой энергиион отрывается от атома и приобретаетспособность свободно перемещаться врешётке германия, превращаясь такимобразом в электрон проводимости. Наязыке зонной теории этот процесс можнопредставить следующим образом.

Междузаполненной валентной зоной и зонойпроводимости чистого германиярасполагается узкий энергетическийуровень валентных электронов мышьяка(рис.8) непосредственно у дна зоныпроводимости, отстоя от него на расстоянии=0,015эВ. Его называют примесным уровнем.

Присообщении электронам примесного уровняэнергии=0,015эВ они переходят в зону проводимости.Образующиеся при этом положительныезаряды локализуются на неподвижныхатомах мышьяка, дырки при этом необразуются.

Примеси, являющиесяисточниками электронов проводимости,называются донорами, а уровни этихпримесей – донорными уровнями.

Рис.7. Атом мышьяка в решетке германияа) замещение атома GeатомомAsб) отщепление лишнего» электрона от атомаРис.8. Энергетическая диаграмма германия, содержащего донорную примесь (As)

Предположим теперь,что в решетке германия часть атомовзамещена атомами трёхвалентного индия(рис.9а).

Для образованиясвязей с четырьмя ближайшими соседямиу атома индия не хватает одного электрона.Его можно «заимствовать» у атомагермания.

Расчёт показывает,что для этого требуется затрата энергиипорядка 0,015 эВ. Разорванная связь (дырка)рис.9б не остаётся локализованной, аперемещается в решётке германия каксвободный положительный заряд «+е». Нарис.

10 показаны энергетические зоныгермания, содержащего примесь индия.Непосредственно у верхнего краязаполненной валентной зоны на расстоянии=0,015эВ располагаются незаполненныеэнергетические уровни атомов индия.

Близость этих уровней к заполненнойвалентной зоне приводит к тому, что ужепри сравнительно низких температурахэлектроны из валентной зоны переходятна примесные уровни.

Связываясь с атомамииндия, они теряют способность перемещатьсяв решётке германия и в проводимости неучаствуют (электроны захватываютсяпримесью). Носителями тока являютсялишь дырки, возникающие в валентнойзоне.

Примеси,захватывающие электроны из валентнойзоны, называются акцепторами, аэнергетические уровни этих примесей –акцепторными уровнями.

Рис.9. Атом индия в решётке германияа) замещение атома GeатомомInб) образование дыркиРис.10. Энергетическая диаграмма германия, содержащего акцепторную примесь (In)

Таким образом, вотличие от собственной проводимости,осуществляющейся одновременно электронамии дырками, примесная проводимостьобусловлена в основном носителямиодного знака: электронами в случаедонорной проводимости и дырками, вслучае акцепторной. Эти носителиназываются основными.

Кроме нихполупроводник содержит неосновныеносители заряда, обусловленные переходомэлектронов из валентной зоны в зонупроводимости; электронный полупроводник– дырки, дырочный полупроводник –электроны. Концентрация неосновныхносителей, как правило, значительнониже концентрации основных носителей.

Источник: https://studfile.net/preview/5335671/page:3/

Полупроводник — это очень просто. Часть 2: Типы полупроводников

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Продолжаем изучать современную электронику на простом уровне. В первой части мы рассмотрели вещества с точки зрения проводимости, изучили основы зонной теории твёрдых тел. Сегодня же мы переходим к типам полупроводников.

Полупроводники бывают 2-ух видов: собственные и примесные, в свою очередь примесные разделяются на донорные и акцепторные.

Будь проще и говори на понятном для людей языке, потому что очень многие стараются говорить на такой терминологии и так умно, что можно час слушать, а потом спросить его, что ты понял из всего этого сказанного, человек не может абсолютно ничего пересказать. Виталий Владимирович Кличко.

Собственный полупроводник. Дырки

Как можно догадаться собственным называется такой полупроводник, который не имеет примесей. Для примера возьмём Si (кремний).

Этот элемент имеет 4 электрона на внешней оболочке (мы берём внешнюю оболочку, так как внутренние не участвуют в атомном обмене, об этом в часть 1). Кремний легко разделяет свои электроны с другими атомами кремния, образуя при этом валентные связи. Валентная связь — это такая связь, при которой атомы делят между собой общую пару электронов.

Валентную связь можно представить себе как детей (атомы), которые обменялись игрушками (электронами) друг с другом и продолжают играют вместе.Структура кристаллической решётки кремния.

Электроны во всех связях будут присутствовать только при температуре абсолютного нуля. Если температура не равна нулю, то как известно, электроны имеют вероятность перейти из валентной зоны в зону проводимости.

Чем выше температура — тем больше вероятность.

При температуре выше нуля некоторые связи разрушатся, а электроны перейдут в зону проводимости, оставив на своём месте нескомпенсированный положительный заряд — дырку.

Так как атом система нейтральная, то при отщеплении отрицательного заряда должен остаться равный по величине положительный заряд.

Дырка — это «частица», которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд.

Вылет электрона из связи и образование дырки.

Получается, что при переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в валентной зоне остаётся дырка, то есть вакантное место для другого электрона.

Образование дырок в валентной зоне и свободных электронов в зоне проводимости.

При приложении внешнего напряжения электроны будут принимать участие в процессе протекания тока.

Таким образом можно сделать вывод, что собственный полупроводник (его ещё называют полупроводником i-типа) — это полупроводник без примесей, в котором носители заряда появляются только за счёт теплового воздействия.

Так же стоит отметить, что количество дырок равно количеству электронов.

Донорный полупроводник. Электронная проводимость

Донорный полупроводник — это полупроводник, в который добавили донорную примесь. Донор, значит что-то отдаёт. В нашем случае донор отдаёт избыточные электроны. Рассмотрим в качестве примера атом Si, в который в качестве донорной примеси добавили атом F (фосфор).

Фосфор имеет 5 электронов на внешней оболочке, 4 из которых легко образуют валентную связь с атомами кремния. Пятый электрон остаётся не задействован ни в одной связи.

Донорная примесь фосфора в кристалле кремния.

Так как пятый электрон слабо связан с атомом фосфора, то это даёт ему возможность легко оторваться. Для этого нужно приложить совсем небольшую энергию, которая называется энергией активации примеси.

Этот свободный электрон образует собственный энергетический уровень в запрещённой зоне, поэтому энергия активации примеси достаточно мала.

Общая картина донорной примеси.

Именно электроны без связи становятся основными носителями заряда, так как им легче перескочить в зону проводимости. Переходы из валентной зоны так же возможны, но очевидно, их будет меньше, так как им нужно преодолеть больший участок запрещённой зоны.

В итоге можно сказать, что донорный полупроводник — это полупроводник, в который ввели донорную примесь, вследствие чего в запрещённой зоне образовался новый, донорный уровень, с которого свободные, донорные электроны, легко переходят в зону проводимости.

Переходы из валентной зоны в зону проводимости под действием температуры так же имеют место, но менее интенсивно, по сравнению с переходами донора.

Этот тип полупроводника так же называют n-типом, так как основные заряды — электроны, заряжены отрицательно (от англ. negative).

Акцепторный полупроводник. Дырочная проводимость

Акцепторный полупроводник — это полупроводник, в который добавили акцепторную примесь. Акцептор, значит что-то принимает. В нашем случае акцептор принимает электроны из других связей. Рассмотрим в качестве примера атом Si, в который в качестве акцепторной примеси добавили атом B (бор).

Бор имеет 3 электрона на внешней оболочке, каждый из которых легко образуют валентную связь с атомами кремния. Однако остаётся одна незадействованная связь, вакантное место для электрона.

Акцепторная примесь в кристалле кремния.

Это вакантное место не несёт заряда, так как атом бора нейтрален.

При температуре выше абсолютного нуля электрон из соседнего атома может переместиться в вакантное место, оставив после себя дырку.

В эту дырку может переместиться другой электрон, оставив свою дырку, и так далее. Получается, что теперь носителем заряда (положительного) является дырка.

Механизм дырочной проводимости.

Эта дырка образует акцепторный уровень в запрещённой зоне. На этот уровень перемещаются электроны, оставляют после себя дырки, которые являются основными носителям.

Электрон занял вакантное место, оставив после себя дырку, которую займёт другой электрон.

В итоге можно сказать, что акцепторный полупроводник — это полупроводник, в который ввели акцепторную примесь, вследствие чего в запрещённой зоне образовался новый, акцепторный уровень, на который легко переходят электроны, оставляя после себя дырки для последующих переходов.

Этот тип полупроводника так же называют p-типом, так как основные заряды — дырки заряжены положительно (от англ. positive).

Рассмотрели основные типы полупроводников. В следующей статье рассмотрим p-n переход — основу современной электроники.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5b7ed756dff62a00aa6de2e4/5b8101defb19de00a9df3859

Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости — Класс!ная физика

Собственная и примесная проводимость полупроводников

«Физика — 10 класс»

Почему сопротивление проводников зависит от температуры?
Какие явления наблюдаются в состоянии сверхпроводимости?

Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых имеет промежуточное значение между удельным сопротивлением металлов (10-6—10-8 Ом • м) и удельным сопротивлением диэлектриков (108—1013 Ом • м).

Отличие проводников от полупроводников особенно проявляется при анализе зависимости их электропроводимости от температуры.

Исследования показывают, что у ряда элементов (кремний, германий, селен, индий, мышьяк и др.) и соединений (PbS, CdS, GaAs и др.

) удельное сопротивление с увеличением температуры не растёт, как у металлов (см. рис. 16.3), а, наоборот, чрезвычайно резко уменьшается (рис. 16.4).

Такое свойство присуще именно полупроводникам.

Из графика, изображённого на рисунке, видно, что при температурах, близких к абсолютному нулю, удельное сопротивление полупроводников очень велико. Это означает, что при низких температурах полупроводник ведёт себя как диэлектрик. По мере повышения температуры его удельное сопротивление быстро уменьшается.

Строение полупроводников.

Для того чтобы включить транзисторный приёмник, знать ничего не надо. Но чтобы его создать, надо было знать очень много и обладать незаурядным талантом.

Понять же в общих чертах, как работает транзистор, не так уж и трудно. Сначала необходимо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках.

А для этого придётся вникнуть в природу связей, удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга.

Для примера рассмотрим кристалл кремния.

Кремний — четырёхвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке его атома имеется четыре электрона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырём. Схема структуры кристалла кремния изображена на рисунке (16.5).

Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью.

В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, электроны отделяются от атома, которому они принадлежат (коллективируются кристаллом), и при своём движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга.

Не надо думать, что коллективированная пара электронов принадлежит лишь двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Валентные электроны принадлежат всему кристаллу.

Парноэлектронные связи в кристалле кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрический ток.

Участвующие в связи атомов валентные электроны являются как бы цементирующим раствором, удерживающим кристаллическую решётку, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение.

Аналогичное строение имеет кристалл германия.

Электронная проводимость.

При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторённые пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решётки, создавая электрический ток (рис. 16.6).

Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью.

При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеличивается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увеличивается от 1017 до 1024 1/мл3. Это приводит к уменьшению сопротивления.

Дырочная проводимость.

При разрыве связи между атомами полупроводника образуется вакантное место с недостающим электроном, которое называют дыркой.

В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, не разорванными связями (см. рис. 16.6).

Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

Если напряжённость электрического поля в образце равна нулю, то перемещение дырок происходит беспорядочно и поэтому не создаёт электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок.

Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов (рис. 16.7).

В отсутствие внешнего поля на один свободный электрон (-) приходится одна дырка (+). При наложении поля свободный электрон смещается против напряжённости поля. В этом направлении перемещается также один из связанных электронов. Это выглядит как перемещение дырки в направлении поля.

Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки.

Проводимость, обусловленная движением дырок, называется дырочной проводимостью полупроводников.

Мы рассмотрели механизм проводимости чистых полупроводников.

Проводимость чистых полупроводников называют собственной проводимостью.

Примесная проводимость.

Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов: например, в германии при комнатной температуре nе = 3 • 1013 см-3. В то же время число атомов германия в 1 см3 порядка 1023.

Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.

Проводимость полупроводников можно существенно увеличить, внедряя в них примесь. В этом случае наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примесная проводимость.

Проводимость проводников, обусловленная внесением в их кристаллические решётки примесей (атомов посторонних химических элементов), называется примесной проводимостью.

Донорные примеси.

Добавим в кремний небольшое количество мышьяка. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов. Четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным (рис. 16.8).

При добавлении одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 1016 см-3. Это в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике.

Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными (отдающими) примесями.

Свободные электроны перемещаются по полупроводнику подобно тому, как перемещаются свободные электроны в металле.

Полупроводники, имеющие донорные примеси и потому обладающие большим числом электронов (по сравнению с числом дырок), называются полупроводниками n-типа (от английского слова negative — отрицательный).

В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Акцепторные примеси.

Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трёхвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия недостаёт одного электрона, который он берёт у соседнего атома кристалла. В результате образуется дырка. Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси (рис. 16.9).

Примеси в полупроводнике, создающие дополнительную концентрацию дырок, называют акцепторными (принимающими) примесями.

При наличии электрического поля дырки перемещаются направленно и возникает электрический ток, обусловленный дырочной проводимостью.

Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками p-типа (от английского слова positive — положительный).

Основными носителями заряда в полупроводнике p-типа являются дырки, а неосновными — электроны.

Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией одного из носителей тока электронов или дырок. Эта особенность полупроводников открывает широкие возможности для их практического применения.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Назад в раздел «Физика — 10 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский»

Электрический ток в различных средах — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов — Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость — Электрический ток в полупроводниках.

Собственная и примесная проводимости — Электрический ток через контакт полупроводников с разным типом проводимости. Транзисторы — Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка — Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза — Электрический ток в газах.

Несамостоятельный и самостоятельный разряды — Плазма — Примеры решения задач по теме «Электрический ток в различных средах»

Источник: http://class-fizika.ru/10_a152.html

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Собственная и примесная 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.

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.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

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.

Примесная проводимость полупроводников

Электрическая проводимость полупроводников, которая вызвана наличием примесей атомов других химических элементов, называется примесной электрической проводимостью. Самые небольшие количества примесей могу существенно увеличивать проводимость полупроводников. В металлах, наблюдается обратное явление. Примеси всегда уменьшают проводимость металлов.

Увеличение проводимости при наличии примесей объясняют тем, что в полупроводниках появляются дополнительные энергетические уровни, которые находятся в запрещенной зоне полупроводника.

Донорные примеси

Пусть дополнительные уровни в запрещенной зоне появились около нижнего края зоны проводимости.

В том случае, если интервал энергии, который отделяет дополнительные уровни энергии от зоны проводимости, мал в сравнении с шириной запрещенной зоны, то число электронов в зоне проводимости, следовательно, сама проводимость полупроводника увеличится.

Примеси, которые поставляют электроны в зону проводимости, называют донорами (донорными примесями). Дополнительные энергоуровни, при этом, называют донорными уровнями.

Полупроводники, имеющие донорные примеси называют электронными (полупроводниками n-типа).

Акцепторные примеси

Пусть с введением примеси добавочные уровни возникают около верхнего края валентной зоны. В этом случае электроны из валентной зоны переходят на эти добавочные уровни.

В валентной зоне при этом появляются дырки, так возникает дырочная электропроводность полупроводника. Такие примеси называют акцепторами (акцепторными примесями).

Дополнительные уровни при этом называют акцепторными уровнями.

Полупроводники, имеющие акцепторные примеси называют дырочными (полупроводниками p-типа). Могут существовать смешанные полупроводники.

Каким видом проводимости обладает полупроводник (электронной или дырочной) судят по знаку эффекта Холла.

Процесс введения примесей называется легированием. При очень больших концентрациях примесных уровней может наблюдаться расщепление примесных уровней, в результате чего они могут перекрыть границы соответствующих энергетических зон.

Пример 1

Задание: Объясните, каким типом примеси могут служить атомы мышьяка, атомы бора в кристаллической решетке кремния?

Решение:

Рассмотрим кремний и мышьяк. Кремний — четырехвалентный атом, следовательно, атом кремния имеет четыре электрона. Мышьяк пятивалентен, значит, его атом содержит пять электронов.

Пятый электрон может отщепиться от атома мышьяка из-за теплового движения. Положительный ион мышьяка может вытеснить из решетки один из атомов кремния, встав не его место. Так, между узлами решетки появится электрон проводимости.

Следовательно, получается, что мышьяк является донорной примесью для кремния.

Рассмотрим бор, как примесь к кремнию. Наружная оболочка атома бора имеет три электрона. Атом бора может захватить недостающий четвертый электрон, из какого — либо соседнего с ним места кристалла кремния.

В этом месте появляется дырка, а появившийся отрицательный ион бора может вытеснить из кристаллической решетки атом кремния и занять его место. В кристалле кремния возникает дырочная проводимость.

Бор — акцепторная примесь.

Ответ: Мышьяк — донорная примесь в решетке кремния, бор — акцепторная примесь для кремния.

Пример 2

Задание: В термоэлементах в одних случаях ток в горячем спае течет от металла к полупроводнику, а в других от полупроводника к металлу, объясните, почему?

Решение:

Именно различие между электронной и дырочной проводимостью полупроводников объяснятся процесс, описанный в условии задания.

В электронном полупроводнике скорость электронов в горячем конце больше, чем в холодном.

Следовательно, электроны просачиваются (диффундируют) от горячего конца к холодному до тех пор, пока возникающее из-за перераспределения зарядов электрическое поле не останавливает поток диффундирующих электронов.

После установления равновесия горячий конец, который потерял электроны, имеет положительный заряд, холодный конец, получил избыток электронов, следовательно, имеет отрицательный заряд. Значит, между горячим и холодным концами появляется разность потенциалов (положительная).

В дырочном полупроводнике происходит обратный процесс. Диффузия дырок проходит от горячего конца к холодному. При этом горячий конец получает отрицательный заряд, холодный конец заряжается положительно. Знак разности потенциалов между горячим и холодным концами отрицательный.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/sobstvennaya_i_primesnaya_provodimost_poluprovodnikov/

Примесная проводимость полупроводников

Определение 3

Электропроводность полупроводников, вызванная наличием примесей атомов других химических элементов, называют примесной электрической проводимостью.

Небольшое их количество способно существенно влиять на увеличение проводимости. В металлах происходит обратное явление. Примеси способствуют уменьшению проводимости металлов.

Увеличение проводимости с примесями объясняется тем, что происходит появление дополнительных энергетических уровней в полупроводниках, находящихся в запрещенной зоне полупроводника.

Донорные и акцепторные примеси

Пусть дополнительные уровни в запрещенной зоне появляются около нижнего края зоны проводимости. Если интервал, отделяющий дополнительные уровни энергии от зоны проводимости, мал при сравнении с шириной запрещенной зоны, то произойдет увеличение числа электронов в зоне проводимости, значит, сама проводимость полупроводника возрастет.

Определение 4

Примеси, которые перемещают электроны в зону проводимости, называют донорами или донорными примесями. Дополнительные энергоуровни получили название донорных уровней.

Определение 5

Полупроводники с донорными примесями – это электронные или полупроводники n-типа.

Определение 6

Пусть с введением примеси возникают добавочные уровни около верхнего края валентной зоны. В этом случае электроны из этой зоны переходят на добавочные уровни.

Валентная зона характеризуется появлением дырок, так как появляется дырочная электропроводность проводника. Примеси такого рода получили название акцепторных.

Дополнительные уровни, располагаемые в них, называют акцепторными.

Определение 7

Полупроводники с акцепторными примесями получили название дырочных или полупроводников p-типа. Имеют место на существование смешанные полупроводники.

Вид проводимости, которым обладает полупроводник, определяют по знаку эффекта Холла.

Определение 8

Легирование – это процесс введение примесей. Если примесный уровень обладает высокой концентрацией, то происходит их расщепление. Перекрытие границ соответствующих энергетических зон считается результатом процесса.

Пример 1

Объяснить, к какому типу примеси относят атомы мышьяка, бора, находящихся в кристаллической решетке кремния.

Решение

Кремний является четырехвалентным атомом, значит, атом содержит 4 электрона. Мышьяк пятивалентен, то есть содержит 5, причем пятый из которых отщепляется по причине наличия теплового движения.

Положительный ион мышьяка вытесняет из решетки один из атомов кремния и встает на его место. Происходит возникновение электрона проводимости между узлами решетки.

Отсюда следует, что мышьяк считается донорной примесью для кремния.

При рассмотрении бора в качестве примеси для кремния видно, что атом бора имеет наружную оболочку, состоящую из трех электронов. Атом бора захватывает четвертый электрон из соседнего места, находящегося в кристалле кремния.

Именно там происходит появление дырки. Отрицательный ион бора, появившийся в ней, вытесняет атом кремния из кристаллической решетки и занимает его место. Говорят о возникновении в нем дырочной проводимости.

Бор считается акцепторной примесью.

Ответ: мышьяк – донорная примесь, бор – акцепторная.

Пример 2

Даны термоэлементы с протеканием тока от металла к полупроводнику и наоборот. Объяснить, почему это происходит.

Решение

По условию, электронная и дырочная проводимость проходит в горячем спае. Это объясняется тем, что на конце электронного полупроводника с высокой температурой скорость электронов намного больше, чем в холодном.

Отсюда следует, что электроны имеют возможность проходить от горячего конца к холодному до возникновения по причине перераспределения зарядов электрического поля и не останавливать поток диффундирующих электронов.

Только после установления равновесного состояния горячему концу, который потерял все электроны, соответствуют положительные заряды, а холодному – отрицательные. Можно сделать вывод, что имеется разность потенциалов между горячим и холодным концами с положительным знаком.

Дырочный полупроводник характеризуется обратным процессом. Диффузия идет от горячего конца к холодному, причем первый из них обладает отрицательным зарядом, а холодный – положительным. Получаем, что разности потенциалов имеют отрицательное значение, в отличие от электронного полупроводника.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/postojannyj-elektricheskij-tok/sobstvennaja-i-primesnaja-provodimost/

§ 72. Собственная и примесная проводимости полупроводников [1975 Ковалев П.Г., Хлиян М.Д. — Физика (молекулярная физика, электродинамика)]

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте

Проводимость химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью, а сами полупроводники — собственными полупроводниками, В чистом полупроводнике число свободных электронов и дырок одинаково.

Под действием приложенного к полупроводнику напряжения скорость направленного движения свободных электронов в нем больше, чем дырок. Поэтому сила тока электронной проводимостью Iэ больше силы тока дырочной проводимостью Iд.

Общий ток в полупроводнике I = Iэ + Iд.

Собственная проводимость полупроводника увеличивается с повышением температуры. При неизменной температуре наступает динамическое равновесие между процессом образования дырок и рекомбинаций электронов и дырок. При таком условии количество электронов проводимости и дырок в единице объема сохраняется постоянным.

На проводимость полупроводников сильно влияет наличие в них примесей.

При введении в полупроводник некоторых примесей можно получить сравнительно большое количество свободных электронов при малом числе «дырок» или, наоборот, большое количество «дырок» при очень малом числе свободных электронов.

Проводимость проводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупроводниками.

Примеси, легко отдающие свои электроны основному полупроводнику и, следовательно, увеличивающие в нем число свободных электронов, называются донорными (отдающими) примесями. В качестве таких примесей используются элементы, атомы которых имеют большее количество валентных электронов, чем атомы основного полупроводника. Так, по отношению к германию донорными являются примеси мышьяка, сурьмы.

Рис. 102. Электронная и дырочная примеси

Для получения в германии примеси мышьяка их смешивают и расплавляют. Германий — четырехвалентный элемент. Мышьяк — пятивалентный. При затвердевании в узле кристаллической решетки германия происходит замещение атома германия атомом мышьяка.

Электроны последнего образуют прочные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия (рис. 102, а). Оставшийся пятый валентный электрон мышьяка, не участвующий в парноэлектронных связях, продолжает двигаться вокруг атома мышьяка.

Вследствие того что диэлектрическая проницаемость германия ε = 16, сила притяжения электрона к ядру уменьшается, размеры орбиты электрона увеличиваются в 16 раз; энергия связи его с атомом уменьшается в 256 раз (т. е.

в ε2 раз), и энергии теплового движения становится достаточно для отрыва от атома этого электрона. Он начинает свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь таким образом в электрон проводимости.

Атом мышьяка, находясь в узле кристаллической решетки германия, потеряв электрон, становится положительным ионом.

Он прочно связан с кристаллической решеткой германия, поэтому в образовании тока участия не принимает.

Энергия, необходимая для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (см. рис. 96), называется энергией активизации. У примесных носителей тока она обычно во много раз меньше, чем у носителя тока основного полупроводника.

Поэтому при незначительном нагревании, освещении освобождаются главным образом электроны атомов примеси. На месте ушедшего электрона в атоме донора образуется дырка. Однако перемещения электронов в дырки почти не наблюдается, т. е.

дополнительная дырочная проводимость, создаваемая донором, очень мала. Это объясняется следующим. По причине небольшого количества атомов примеси ее электроны проводимости редко оказываются рядом с дыркой и не могут ее заполнить.

А электроны атомов основного полупроводника хотя и находятся вблизи дырок, но не в состоянии их занять ввиду своего гораздо более низкого энергетического уровня.

Небольшое добавление донорной примеси делает число свободных электронов проводимости в тысячи раз больше, чем число свободных электронов проводимости в чистом полупроводнике при тех же условиях. В полупроводнике с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа.

Примеси, захватывающие электроны у основного полупроводника и, следовательно, увеличивающие в нем число дырок, называются акцепторными (принимающими) примесями.

В качестве таких примесей используются элементы, атомы которых имеют меньшее количество валентных электронов, чем атомы основного полупроводника.

Так, по отношению к германию акцепторными являются примеси индия, алюминия.

Для получения в германии примеси индия их смешивают и расплавляют. Германий — четырехвалентный элемент. Индий — трехвалентный. Для образования ковалентных связей с четырьмя ближайшими соседними атомами германия у атома индия не хватает одного электрона. Индий его заимствует у атома германия (рис. 102, б).

Для этого электронам атомов германия нагреванием сообщается энергия, достаточная только для разрыва ковалентной связи, после чего освободившиеся электроны захватываются атомами индия. Будучи не свободными, эти электроны не участвуют в образовании тока.

Атомы индия становятся отрицательными ионами, они прочно связаны с кристаллической решеткой германия, поэтому в образовании тока участия не принимают.

На месте ушедшего из атома германия электрона образуется дырка, которая является свободным носителем положительного заряда. Эта дырка может быть заполнена электроном А из соседнего атома германия и т. д. В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа.

Таким образом, в отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводника обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в случае донорной примеси и дырками в случае акцепторной примеси.

Эти носители заряда в примесном полупроводнике являются основными. Кроме них в таком полупроводнике содержатся неосновные носители: в электронном полупроводнике — дырки, в дырочном полупроводнике — электроны. Концентрация их значительно меньше концентрации основных носителей.

Источник: http://www.physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000051/st073.shtml

Booksm
Добавить комментарий