Электронный полупроводник

Электронным полупроводником или полупроводником типа n ( от латинского negative — отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис .1.3)помимо основных (четырехвалент-ных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый (“лишний”) электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки, однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.

к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов.Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается n_n, а концентрация дырок — p_n. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Дырочный полупроводник

Дырочным полупроводником или полупроводником типа p ( от латинского positive — положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 1.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка. В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов.

Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается p_p, они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается n_p, они являются неосновными носителями заряда.

1.2. Энергетические диаграммы полупроводников

Согласно представлениям квантовой физики электроны в атоме могут принимать строго определенные значения энергии или, как говорят, занимать определенные энергетические уровни. При этом, согласно принципу Паули, в одном и том же энергетическом состоянии не могут находиться одновременно два электрона. Твердое тело, каковым является полупроводниковый кристалл, состоит из множества атомов, сильно взаимодействующих друг с другом, благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому вместо совокупности разрешенных дискретных энергетических уровней, свойственных отдельному атому, твердое тело характеризуется совокупностью разрешенных энергетических зон, состоящих из большого числа близко расположенных энергетических уровней.

Разрешенные энергетические зоны разделены интервалами энергий, которыми электроны не могут обладать и которые называются запрещенными зонами. При температуре абсолютного нуля электроны заполняют несколько нижних энергетических зон. Верхняя из заполненных электронами разрешенных зон называется валентной зоной, а следующая за ней незаполненная зона называется зоной проводимости. У полупроводников валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. При нагреве вещества электронам сообщается дополнительная энергия и они переходят с энергетических уровней валентной зоны на более высокие энергетические уровни зоны проводимости. В проводниках для совершения таких переходов требуется незначительная энергия, поэтому проводники характеризуются высокой концентрацией свободных электронов (порядка 10²² см^-3). В полупроводниках для того, чтобы электроны смогли перейти из валентной зоны в зону проводимости, им должна быть сообщена энергия не менее ширины запрещенной зоны. Это и есть та энергия , которая необходима для разрыва ковалентных связей. На рис. 1.5 представлены энергетические диаграммы собственного электронного и дырочного полупроводников, на которых через E_Cобозначена нижняя граница зоны проводимости, а через E_V — верхняя граница валентной зоны. Ширина запрещенной зоны E_з= E_c— E_v. В кремнии она равна 1,1 эВ, в германии — 0,7 эВ.

С точки зрения зонной теории под генерацией свободных носителей заряда следует понимать переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 1.5,а). В результате таких переходов в валентной зоне появляются свободные энергетические уровни, отсутствие электронов на которых следует трактовать как наличие на них фиктивных зарядов — дырок. Переход электронов из зоны проводимости в валентную зону следует трактовать как рекомбинацию подвижных носителей заряда.

Чем шире запрещенная зона, тем меньше электронов способно преодолеть ее. Этим объясняется более высокая концентрация электронов и дырок в германии по сравнению с кремнием. В электронном полупроводнике (рис.1.5,б) за счет наличия пятивалентных примесей в пределах запрещенной зоны вблизи дна зоны проводимости появляются разрешенные уровни энергии E _D. Поскольку один пpимесный атом приходится примерно на 10⁶ атомов основного вещества, то пpимесные атомы практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому пpимесные уровни не образуют энергетическую зону и их изображают как один локальный энергетический уровень Е_D, на котором находятся «лишние» электроны пpимесных атомов, не занятые в ковалентных связях. энергетический интервал E_и= E_c-E_D называется энергией ионизации. Величина этой энергии для различных пятивалентных примесей лежит в пределах от 0,01 до 0,05 эВ, поэтому «лишние» электроны легко переходят в зону проводимости. В дырочном полупроводнике введение трехвалентных примесей ведет к появлению разрешенных уровней Е_A(pис.1.5,в), которые заполняются электронами, переходящими на него из валентной зоны, в результате чего образуются дырки. переход электронов из валентной зоны в зону проводимости требует больших затрат энергии, чем переход на уровни акцепторов, поэтому концентрация электронов n_p оказывается меньше концентрации n_i , а концентрацию дыpок p_p можно считать примерно равной концентрации акцепторов N_A.

Концентpации электpонов и дыpок зависят от темпеpатуpы (pис.1.7). В собственном полупроводнике в соответствии с (1.8) n_i и p_i возрастают с ростом темпеpатуpы по экспоненциальному закону. Концентpации основных носителей заpяда изменяются более сложным обpазом. В области очень низких температур пpи увеличении темпеpатуpы происходит увеличение n_n и p_p за счет ионизации пpимесных атомов. В рабочем интервале температур (примерно от -100° C до +100° C) концентpации n

n и p_p сохраняются приблизительно постоянными и равными концентpации примесей, так как все пpимесные атомы ионизированы, а процесс тепловой генерации добавляет относительно небольшое число основных носителей заpяда, однако, концентpации неосновных носителей заpяда, несмотря на их малость, изменяются очень сильно,

Электронный полупроводник — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Cтраница 1

Электронные полупроводники сходны с твердыми электролитами в том отношении, что носители тока в обоих случаях ( электроны у первых и ионы у вторых) освобождаются флук-туациями теплового движения. Поэтому как концентрация свободных зарядов, так и электропроводность и тех и других стремится к нулю с приближением к абсолютному нулю. Однако электронные проводники совершенно отличаются от ионных механизмом, определяющим подвижность носителей тока.

В то время как ионы должны преодолевать препятствия при переходе из одной элементарной ячейки кристалла в другую, электроны свободно проходят сквозь междуатомные энергетические барьеры.  [1]

Электронные полупроводники сходны с твердыми электролитами в том отношении, что носители тока в обоих случаях ( электроны у первых и ионы у вторых) освобождаются флук-туациямп теплового движения. Поэтому как концентрация свободных зарядов, так и электропроводность у полупроводников и у электролитов стремятся к нулю с приближением к абсолютному нулю температуры. Освобожденные тепловым движением электроны, как и ионы, диффундируя некоторое время внутри тела, вновь закрепляются путем рекомбинации при прилипании на одном из дефектов кристаллической ре-гаетки. Впрочем, в этом отношении существует некоторая разница: ионы обычно рекомбинируют, возвращаясь в свободные узлы кристаллической решетки, а электроны рекомбинируют чаще всего на примесях или дефектах кристалла.

Как скопления ионов одного знака, так и скопления электронов создают в теле объемные заряды. Однако электронные проводники совершенно отличаются от ионных проводников механизмом, определяющим подвижность носителей тока. В то время как ионы должны преодолевать препятствия при переходе из одной элементарной ячейки кристалла в другую, электроны свободно проходят сквозь междуатомные энергетические барьеры.  [2]

Электронный полупроводник. модель кристаллической решетки ( а. энергетическая диаграмма ( б.  [3]

Электронным полупроводником ( или полупроводником / г-типа) называется такой полупроводник, в котором концентрация свободных электронов преобладает над концентрацией дырок.  [4]

Образование электронно-дырочного перехода.  [5]

Поскольку электронный полупроводник имеет концентрацию электронов много большую, чем дырочный, то при наличии контакта двух таких полупроводников будет происходить диффузионное перемещение электронов в дырочный полупроводник.  [6]

Схема энергетических зон полупроводника. J. i-наибольшее значение энергии в валентной зоне. ES — наименьшее значение анергии в зоне проводимости. Д. ES — Ei — ширина запрещенной зоны. Яд — энергетический уровень расположения доноров.  [7]

Все электронные полупроводники являются кристаллическими веществами с различными кристаллическими решетками и электронным видом электропроводности. В узлах решетки в правильном геометрическом порядке расположены атомы элементов.  [8]

В однородный полубесконечный электронный полупроводник ( х & 0) на поверхности х — 0 стационарно инжектируются дырки.  [9]

Если электронный полупроводник электронно-дырочного перехода подвергнуть воздействию света, то в нем будут генерироваться электронно-дырочные пары, причем основная часть электронов будет оставаться в электронном полупроводнике и лишь ничтожная доля их сможет преодолеть потенциальный барьер, образованный контактной разностью потенциалов, и перейти в дырочный полупроводник.  [10]

Схематическое изображение электропроводности у электронного ( а и дырочного ( б полупроводников.  [11]

У электронного полупроводника электроны называют основными носителями тока, а дырки — неосновными.  [12]

Для электронного полупроводника ( рис. 73, а) концентрация электронов в слое 8 меньше, чем в объеме; этот слой обладает пониженной электропроводностью, вследствие чего называется запорным. Для дырочного полупроводника ( рис. 73, б) слой 8 имеет повышенное число дырок и является антизапорным, так как его проводимость больше, чем проводимость в объеме полупроводника.  [13]

Изучение электронных полупроводников обещает внести некоторую ясность в этом вопросе.  [14]

Для электронных полупроводников средняя длина свободного пробега лежит в пределах от 10 — 9 до 10 — 4 см. Сравним эти значения с величиной межатомных расстояний а — ( 3 — 5) Ю-8 см и длиной волны свободных электронов и дырок, двигающихся с тепловой скоростью при комнатной температуре, X — 7 — 10 — 7 см. Оказывается, что для всех полупроводников с подвижностью Р 100 см2 — в 1-сек.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

Основы электроники: что такое полупроводник?

Автор: Дуг Лоу и

Обновлено: 17 сентября 2021 г. Многофункциональное устройство для чайников

Обзорная книга Купить на Amazon

Полупроводники широко используются в электронных схемах. Как следует из названия, полупроводник — это материал, проводящий ток, но лишь частично. Проводимость полупроводника находится где-то между проводимостью изолятора, который почти не имеет проводимости, и проводника, который имеет почти полную проводимость. Большинство полупроводников представляют собой кристаллы из определенных материалов, чаще всего из кремния.

Чтобы понять, как работают полупроводники, вы должны сначала немного разобраться в том, как электроны организованы в атоме. Электроны в атоме организованы слоями. Эти слои называются оболочками . Самая внешняя оболочка называется оболочкой валентности .

Электроны этой оболочки образуют связи с соседними атомами. Такие связи называются ковалентными связями . Большинство проводников имеют только один электрон на валентной оболочке. Полупроводники, с другой стороны, обычно имеют четыре электрона в своей валентной оболочке.

Полупроводники состоят из кристаллов

Если все соседние атомы одного типа, все валентные электроны могут связываться с валентными электронами других атомов. Когда это происходит, атомы организуются в структуры, называемые кристаллами . Полупроводники сделаны из таких кристаллов, обычно кристаллов кремния.

Здесь каждый кружок представляет атом кремния, а линии между атомами представляют общие электроны. Каждый из четырех валентных электронов в каждом атоме кремния является общим с одним соседним атомом кремния. Таким образом, каждый атом кремния связан с четырьмя другими атомами кремния.

Чистые кристаллы кремния не так уж полезны в электронике. Но если ввести в кристалл небольшое количество других элементов, кристалл начинает вести себя интересным образом.

Два типа проводников

Процесс преднамеренного введения в кристалл других элементов называется легированием . Элемент, введенный легированием, называется легирующей примесью . Тщательно контролируя процесс легирования и используемые примеси, кристаллы кремния могут превращаться в один из двух различных типов проводников:

• Полупроводник N-типа: Создается, когда легирующей примесью является элемент с пятью электронами в валентном слое. Для этой цели обычно используется фосфор.

  Атомы фосфора соединяются прямо в кристаллической структуре кремния, каждый из которых связывается с четырьмя соседними атомами кремния точно так же, как атом кремния. Поскольку атом фосфора имеет пять электронов на своей валентной оболочке, но только четыре из них связаны с соседними атомами, пятый валентный электрон остается висящим, и ему не с чем связываться.

  Дополнительные валентные электроны в атомах фосфора начинают вести себя как одновалентные электроны в обычном проводнике, таком как медь. Они могут свободно передвигаться. Поскольку этот тип полупроводника имеет дополнительные электроны, он называется полупроводником N-типа .

• Полупроводник P-типа: Происходит, когда легирующая примесь (например, бор) имеет только три электрона на валентной оболочке. Когда небольшое количество включено в кристалл, атом способен соединиться с четырьмя атомами кремния, но, поскольку он предлагает только три электрона, отверстие создано. Дырка ведет себя как положительный заряд, поэтому полупроводники, легированные таким образом, называются полупроводниками P-типа.

  Подобно положительному заряду, дырки притягивают электроны. Но когда электрон движется в дыру, электрон покидает новую дыру на прежнем месте. Таким образом, в полупроводнике P-типа дырки постоянно перемещаются внутри кристалла, поскольку электроны постоянно пытаются их заполнить.

Когда напряжение подается на полупроводник N-типа или P-типа, ток течет по той же причине, что и в обычном проводнике: отрицательная сторона напряжения выталкивает электроны, а положительная сторона притягивает их. В результате случайное движение электронов и дырок, всегда присутствующее в полупроводнике, становится организованным в одном направлении, создавая измеримый электрический ток.

Об этой статье

Эта статья из книги:

• Electronics All-in-One For Dummies,

Об авторе книги:

Дуг Лоу — автор бестселлеров более 40 Для чайников книг. Он занимался всем, от Microsoft Office до создания веб-страниц и таких технологий, как Java и ASP.NET, и написал несколько выпусков PowerPoint для чайников, и Сеть для чайников.

Этот артикул можно найти в категории:

• General Electronics,

Semiconductor

Электроника приборы и схемы >> Полупроводники >> Введение в полупроводники

материал, который имеет электрическую проводимость между проводника и изолятора называется полупроводник. Кремний, германий и графит примеры полупроводников. Полупроводники являются основой современная электроника, в том числе транзисторы, светодиоды, солнечные батареи и т. д.

В полупроводники, запрещенная зона между валентной зоной и полоса проводимости очень мала. Он имеет запрещенный интервал около 1 электрон-вольт (эВ).

В низкой температуре валентная зона полностью занята электроны и зона проводимости пуста, потому что электроны в валентная зона не имеет достаточно энергии, чтобы перейти в зона проводимости. Поэтому полупроводник ведет себя как изолятор. при низкой температуре.

Однако, при комнатной температуре часть электронов в валентной зоне приобретает достаточно энергии в виде тепла и переходит в зону проводимости. Когда валентность электроны перемещаются в зону проводимости, они становятся свободными электронами. Эти электроны не связаны с ядром атома, поэтому они свободно перемещается.

электроны зоны проводимости ответственны за электрические проводимость. Мера способности проводить электрический ток называется электропроводностью.