Электроны и «дырки»

Добавлено 6 февраля 2016 в 17:10

Сохранить или поделиться

Чистые полупроводники являются относительно хорошими диэлектриками по сравнению с металлами, хотя и не настолько хорошими, как настоящий диэлектрик, например, стекло. Чтобы быть полезным в полупроводниковых применениях, собственный полупроводник (чистый нелегированный полупроводник) должен иметь не более одного атома примеси на 10 миллиардов атомов полупроводника. Это аналогично крупинке соли в железнодорожном вагоне сахара. Нечистые, или грязные полупроводники являются значительно более проводящими, хотя и такими хорошими, как металлы. Почему так происходит? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны рассмотреть электронную структуру этих материалов на рисунке ниже.

Рисунок ниже (a) показывает 4 электрона в валентной оболочке полупроводника, образующих ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это плоская, более простая для рисования, версия рисунка, приведенного ранее. Все электроны атома связаны в четырех ковалентных связях, в парах общих электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Таким образом, собственные, чистые, полупроводники являются относительно хорошими диэлектриками по сравнению с металлами.

(a) Собственный полупроводник является диэлектриком, имеющим полную электронную оболочку.
(b) Тем не менее, тепловая энергия может создать несколько пар электрон-дырка, что в результате даст слабую проводимость.

Тепловая энергия иногда может освобождать электрон из кристаллической решетки, как показано на рисунке выше (b). Этому электрону становится доступно передвижение по кристаллической решетке. Когда электрон освобождается, он оставляет в кристаллической решетке пустое место с положительным зарядом, известное как дырка. Эта дырка не прикреплена к решетке и может свободно по ней перемещаться. Свободные электрон и дырка вносят свой вклад в движение электронов по кристаллической решетке. То есть, электрон свободен, пока он не попадает в дырку. Это явление называется рекомбинацией. При воздействии на полупроводник внешним электрическим полем электроны и дырки разводятся в противоположных направлениях. Увеличение температуры увеличит и количество электронов и дырок, что в свою очередь уменьшит сопротивление. Это противоположно поведению металлов, у которых сопротивление увеличивается с ростом температуры за счет увеличения столкновений электронов с кристаллической решеткой. Количество электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаково. Тем не менее, оба носителя при воздействии внешнего поля необязательно будут двигаться с одинаковой скоростью. Другими словами, подвижность у электронов и дырок неодинакова.

Чистые полупроводники, сами по себе, не особенно полезны. Хотя полупроводники и должны быть в большой степени очищены от примесей для создания отправной точки перед добавлением определенных примесей.

В материал полупроводника, с долей содержания примесей 1 к 10 миллиардам, для увеличения количества носителей могут добавляться определенные примеси в соотношении примерно 1 часть на 10 миллионов. Добавление в полупроводник необходимой примеси известно, как легирование. Легирование увеличивает проводимость полупроводника, и, таким образом, он становится более сопоставим с металлом, а не с диэлектриком.

Можно увеличить количество отрицательно заряженных носителей в кристаллической решетке полупроводника путем легирования таким электронным донором, как фосфор. Электронные доноры, также известные, как примеси N-типа, включают в себя элементы группы VA (группы 15 по IUPAC) периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и сурьма. Азот и фосфор являются примесью N-типа для алмаза. Фосфор, мышьяк и сурьма используются совместно с кремнием.

Кристаллическая решетка на рисунке ниже (b) содержит атомы, содержащие четыре электрона во внешней оболочке, формирующих ковалентные связи с соседними атомами. Эта кристаллическая решетка ожидаема. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешней оболочке вводит в решетку дополнительный электрон по сравнению с атомом кремния. Пятивалентная примесь образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с помощью четырех из пяти электронов, встраиваясь в решетку с одним электроном в запасе. Обратите внимание, что этот лишний электрон не сильно привязан к решетке, как электроны обычных атомов Si. Будучи не привязанным к узлу фосфора в кристаллической решетке, он свободен для перемещения по ней. Так как мы легировали одну часть фосфора на 10 миллионов атомов кремния, то по сравнению с многочисленными атомами кремния было создано лишь несколько свободных электронов. Тем не менее, по сравнению с немногочисленными парами электрон-дырка в собственном полупроводнике, в этом случае было создано достаточно много электронов.

(a) Конфигурация электронов внешней оболочки донора N-типа фосфора, кремния (для сравнения) и акцептора P-типа бора.
(b) Примесь донора N-типа создает свободный электрон.
(c) Примесь акцептора P-типа создает дырку, положительно заряженный носитель.

Кроме того, можно вводить примеси, у которых, по сравнению с кремнием, не хватает электрона, то есть, которые имеют три электрона в валентной оболочке, по сравнению с кремнием с четырьмя валентными электронами. На рисунке выше (c) они оставляют пустое место, известное как дырка, положительно заряженный носитель. Атом бора пытается связаться с четырьмя атомами кремния, но в валентной зоне имеет только три электрона. В попытке сформировать четыре ковалентные связи три его электрона двигаются вокруг, пытаясь образовать четыре связи. Это заставляет двигаться появляющуюся дырку. Кроме того, трехвалентный атом может занимать электрон от соседнего (или более отдаленного) атома кремния, чтобы сформировать четыре ковалентные связи. Однако это оставляет атом кремния с нехваткой одного электрона. Другими словами, дырка перемещается к соседнему (или более отдаленному) атому кремния. Дырки располагаются в валентной зоне, уровнем ниже зоны проводимости. Легирование электронным акцептором, атомом, который может принять электрон, создает дефицит электронов и избыток дырок. Так как дырки являются носителями положительного заряда, примесь электронного акцептора также известна, как примесь P-типа. Легирующая примесь P-типа оставляет полупроводник с избытком дырок, носителей положительного заряда. Элементы P-типа из группы IIIA (группы 13 по IUPAC) периодической таблицы включают в себя: бор, алюминий, галлий и индий. Бор используется в качестве легирующей примеси P-типа для полупроводников кремний и алмаз, в то время как индий используется с германием.

Подобно «шарику в трубе» передвижение электронов (рисунок ниже) зависит от движения дырок и движения электронов. Шарик представляет собой электроны в проводнике, в трубе. Движение электронов слева направо в проводнике или полупроводнике N-типа объясняется входом электрона в трубу слева, заставляя выйти электрон справа. Передвижение электронов в полупроводнике N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением дырок в валентной зоне.

Аналогия с шариком в трубе:
(a) Электроны двигаются вправо в зоне проводимости.
(b) Дырки двигаются вправо в валентной зоне, в то время как электроны двигаются влево.

Чтобы дырка вошла в левой части рисунка выше (b), электрон должен быть удален. При перемещении дырки слева направо электрон должен двигаться справа налево. Первый электрон выбрасывается из левого конца трубы, чтобы дырка могла двигаться вправо в трубу. Электрон двигается в направлении, противоположном движению положительных дырок. Чтобы дырка двигалась дальше вправо, электроны должны перемещаться влево, заполняя дырку. Дырка – это отсутствие электрона в валентной зоне за счет легирования P-типа. Она имеет локальный положительный заряд. Чтобы переместить дырку в заданном направлении, валентные электроны двигаются в противоположном направлении.

Поток электронов в полупроводнике N-типа аналогичен движению электронов в металлическом проводе. Атомы примеси N-типа дадут электроны, доступные для передвижения. Эти электроны из-за легирующей примеси известны, как основные носители, так как они находятся в большинстве, по сравнению с немногочисленными тепловыми дырками. Если к пластине полупроводника N-типа приложить электрическое поле (рисунок ниже (a)), электроны перейдут в отрицательный (левый) конец пластины, пройдут кристаллическую решетку и выйдут справа к клемме (+) батареи.

(a) Полупроводник N-типа с электронами, перемещающимися через кристаллическую решетку слева направо.
(b) Полупроводник P-типа с дырками, перемещающимися слева направо, что соответствует движению электронов в противоположном направлении.

Объяснить протекание тока в полупроводнике P-типа немного сложнее. Примесь P-типа, акцептор электронов, придает локальным областям положительный заряд, известный как дырки. Эти дырки и являются основными носителями в полупроводнике P-типа. Хотя дырки и образуются в местах трехвалентных атомов примеси, они могут перемещаться по пластине полупроводника. Обратите внимание, что включение батареи на рисунке выше (b) противоположно включению на рисунке (a). Положительный вывод батареи подключен к левому концу пластины P-типа. Поток электронов выходит из отрицательного вывода батареи и через пластину P-типа возвращается к положительному выводу батареи. Электрон покидает положительный (левый) конец пластины полупроводника, чтобы положительный вывод батареи оставил дырку в полупроводнике, которая может двигаться вправо. Дырки проходят через кристаллическую решетку слева направо. В отрицательном конце пластины электрон из батареи соединяется с дыркой, нейтрализуя её. Это дает возможность другой дырке в положительном конце пластины двигаться вправо. Имейте в виду, что когда дырки перемещаются слева направо, это на самом деле электроны двигаются в противоположном направлении, что и делает видимым движение дырок.

Элементы, используемые для производства полупроводников, приведены на рисунке ниже. Полупроводниковый материал германий из группы IVA (14 по IUPAC) сейчас используется довольно ограничено. Полупроводники на основе кремния составляют около 90% всего промышленного производства полупроводников. Полупроводники на основе алмаза сейчас широко исследуются и обладают значительным потенциалом. Составные полупроводники включают в себя кремний-германий (тонкие слои на пластинах Si), карбид кремния и соединения групп III-V, например, арсенид галлия. Полупроводниковые соединения групп III-VI включают в себя AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al_xGa_1-xAs и In_xGa_1-xAs. Столбцы II и VI периодической таблицы, не показанные на рисунке, также формируют составные полупроводники.

Группа IIIA – примеси P-типа, группа IV – основные полупроводниковые материалы, и группа VA – примеси N-типа.

Основной причиной включения групп IIIA и VA на рисунок выше является возможность показать примеси, используемые с группой полупроводников IVA. Элементы группы IIIA являются акцепторами, примесями P-типа, которые принимают электроны, оставляя дырки (положительные носители) в кристаллической решетке. Бор является примесью P-типа для алмаза и самой распространенной примесью для кремниевых полупроводников. Индий является примесью P-типа для германия.

Элементы группы VA являются донорами, примесями N-типа, дающими свободный электрон. Азот и фосфор подходят в качестве примеси N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее используемыми примесями N-типа для кремния, хотя может использоваться и сурьма.

Итоги

Собственные полупроводники, максимальная доля примеси в которых составляет 1 на 10 миллиардов, являются плохими проводниками.

Полупроводник N-типа легируется пятивалентной примесью, чтобы создать свободные электроны. Такой материал является проводящим. Электрон в нем является основным носителем.

Полупроводник P-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет множество свободных дырок. Это носители положительного заряда. Материал P-типа является проводящим. Дырки в нем являются основными носителями.

Большинство полупроводников основаны на элементах из группы IVA периодической таблицы. Причем кремний является наиболее распространенным, германий устарел, а углерод (алмаз) в настоящее время исследуется.

Широко используются и составные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).

Оригинал статьи:

Теги

ОбучениеЭлектронЭлектроника

Сохранить или поделиться

Электроны и дырки. Статьи о светодиодах.

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводниковые материалы имеют кристаллическую структуру. При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике находятся в атомах на своих местах и полупроводник плохо проводит ток. Но связаны электроны с атомами слабее, чем в диэлектрике. При росте температуры, сопротивление полупроводников падает, то есть проводимость полупроводника в отличии от металлов при нагревании увеличивается. Иначе говоря, при нагревании в полупроводнике увеличивается количество свободных электронов, тем самым увеличивая способность проводить электрический ток. Этот эффект называют электронной проводимостью полупроводника.

С другой стороны, поскольку атомы полупроводника закреплены в кристаллической решетке, атомы лишившиеся электрона приобретают положительный заряд, получается «дырка». Электроны соседних атомов перескакивают к атому с положительным зарядом, таким образом возникает видимость движения положительного заряда — «дырочная» проводимость. Закономерности «дырочной» проводимости таковы, что этим «дыркам» физики условно приписывают и заряд (положительный, равный заряду электрона), и «эффективную массу».

В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, при приложении потенциала, одинаковое число электронов и дырок движется в разных направлениях. При добавлении в полупроводник атомов легко отдающих электроны, в полупроводнике превалирует электронная проводимость и сопротивление электрическому току резко падает. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа.

Аналогично, при легировании материалами, способными захватывать лишние электроны, получают полупроводник p-типа.

Если в полупроводнике одна часть обладает проводимостью p-типа, а другая — n-типа, между этими областями возникает граница, обладающая односторонней проводимостью. На этом принципе работает большинство полупроводниковых диодов и транзисторов. Кроме того, на границе возникает энергетический барьер, для преодоления которого необходимо приложить дополнительный потенциал. В результате этого, полупроводниковый диод имеет падение напряжения при прямом токе. При положительной полярности внешнего напряжения, плюс — к p-зоне, минус — к n-зоне, происходит перескакивание электронов и дырок (рекомбинирование), в результате чего выделяется энергия. В случае выпрямительных диодов и транзисторов, стараются максимально уменьшить энергетический барьер, так как рекомбинация происходит с выделением тепла, равным энергии барьера, или энергии рекомбинации. Если же увеличить энергию рекомбинации, то при достижении уровня энергии фотонов видимого света, частично процесс рекомбинации происходит с излучением света. Соотношение тепловой и излучательной рекомбинации называют квантовым выходом, или эффективностью светодиода.

Поскольку энергия рекомбинации равна величине энергетического барьера, излучение происходит в узкой области спектра. Поэтому все светодиоды излучают монохроматическое излучение. Белые (полихромные) светодиоды в своей основе имеют также монохроматические светодиодные чипы.

Сначала полупроводниковые приборы делали «гомопереходными», в них p-n- переход возникал в полупроводнике одного базового вещества. Но вскоре появилась устройства, в которых такой переход создавался на границе двух различных полупроводников. В результате, появилась возможность создать полупроводниковые приборы меньшего размера и с большей эффективностью. Так, первые «гомопереходные» полупроводниковые светодиоды могли работать только при температуре жидкого азота, а «гетеропереходные» работают и при комнатной температуре.

При выборе материалов для изготовления светодиодов, существенными становятся оптические свойства полупроводников. Материал одного из компонентов должен быть прозрачным или чрезвычайно тонким, а граница или второй материал должен хорошо отражать свет в области излучаемого спектра. Наряду с квантовым выходом, это наиболее важные условия увеличения эффективности светодиодов.

Далее о светодиодах >>>

Что такое «электронные дыры» в полупроводниках?

Понятие частицы в нерелятивистской квантовой механике очень общее: все, что может иметь волновую функцию, амплитуду вероятности нахождения в разных местах, является частицей. В металле электроны и связанные с ними облака упругой деформации решетки путешествуют как частица. Эти эффективные электроноподобные отрицательные носители являются электронными квазичастицами, и эти квазичастицы имеют отрицательный заряд, который можно увидеть, измеряя холловскую проводимость. Их скорость приводит к разности потенциалов, поперечных к проводу во внешнем магнитном поле, которое выявляет знак носителей.

Но в полупроводнике объекты, которые несут заряд, могут быть заряжены положительно, что является физически точным — ток в таком материале даст противоположный знак напряжения эффекта Холла.

Чтобы понять это, вы должны понимать, что собственные состояния электронов в периодическом решеточном потенциале определяются полосами, и эти полосы имеют зазоры. Когда у вас есть изолирующий материал, полоса полностью заполнена, так что существует энергетическая щель для перемещения электронов. Энергетическая щель обычно означает, что электрон с волновым числом k будет иметь энергию:

Е = A + B k 2 Е знак равно + В К 2

Где A — ширина запрещенной зоны, а B — (удвоенная) эффективная масса. Эта форма является общей, потому что электроны чуть выше зазора имеют минимальную энергию, и энергия возрастает квадратично от минимума. Эта квадратичная энергетическая зависимость та же, что и для свободной нерелятивистской частицы, и поэтому движение квазичастиц описывается тем же уравнением Шредингера, что и для свободной нерелятивистской частицы, даже если они представляют собой сложные туннельные возбуждения электронов, связанных со многими атомами.

Теперь, если вы добавите материал, вы добавите несколько дополнительных электронов, которые заполняют эти состояния. Эти электроны заполняют k до некоторой величины, точно так же, как ферми-газ со свободными электронами, и электроны с максимальной энергией можно легко заставить нести заряд, просто перепрыгивая к немного более высокому k, и это опять-таки, как обычный электронный ферми-газ, кроме как с другой массой, эффективной массой. Это полупроводник с отрицательным носителем тока.

Но энергия электронов в предыдущей полосе имеет максимум, так что их энергия в общем

Е = — B k 2 Е знак равно — В К 2

Поскольку ноль энергии определяется местоположением полосы, и когда вы меняете k, энергия уменьшается . Эти электроны имеют отрицательную нерелятивистскую эффективную массу, и их движение сумасшедшее — если вы прикладываете силу к этим электронам, они движутся в противоположном направлении! Но это глупо — эти электронные состояния полностью заняты, поэтому электроны вообще не двигаются в ответ на внешнюю силу, потому что все состояния заполнены, им некуда двигаться.

Таким образом, чтобы заставить эти электроны двигаться, вам необходимо удалить некоторые из них, чтобы позволить электронам заполнить эти пробелы. Когда вы это сделаете, вы получите море дыр до некоторого волнового числа k. Важным моментом является то, что эти дыры, в отличие от электронов, имеют положительную массу и подчиняются обычному уравнению Шредингера для фермионов. Таким образом, вы получаете эффективный положительно заряженный положительный эффективный носитель. Это дыры.

Вся ситуация обусловлена ​​общей формой энергии как функции k в вязкости максимума / минимума, создаваемой запрещенной зоной.

Боровские модельные отверстия

Вы можете увидеть своего рода электронную дыру уже в модели Бора, если учесть закон Мозли, но эти дыры не являются физическими дырами полупроводника. Если вы выбиваете электрон из K-оболочки атома, у вашего объекта отсутствует электрон в состоянии 1s. Этот отсутствующий электрон продолжает вращаться вокруг ядра, и он довольно стабилен, так как для распада требуется несколько орбит.

Многоэлектронная система с одним отсутствующим электроном может рассматриваться как одночастичная дыра, вращающаяся вокруг ядра. Эта одночастичная дыра имеет положительный заряд, поэтому она отталкивается ядром, но имеет отрицательную массу, потому что мы не находимся вблизи запрещенной зоны, ее энергия как функция k является отрицательной величиной энергии свободного электрона.

Эту дыру с отрицательной массой можно рассматривать как вращение вокруг ядра, удерживаемое на месте его отталкиванием к ядру (помните, что отрицательная масса означает, что сила находится в направлении, противоположном ускорению). Эта сумасшедшая система распадается, когда дыра движется вниз по энергии, выходя из ядра на более высокие боровские орбиты.

Этот тип описания дыр не встречается в литературе по закону Мозли, но это очень простое приближение, которое полезно, потому что оно дает одночастичную модель для эффекта. Приближение, очевидно, неверно для малых атомов, но оно должно быть точным в пределе больших атомов. В законе Мозли есть необъяснимые закономерности, которые можно объяснить картиной с одним отверстием, хотя, опять же, эта «дыра» является дырой с отрицательной массой, в отличие от дырок в положительно легированном полупроводнике.

Электроны и «дырки» — твердотельная теория устройств

Электроны и «дыры»

Глава 2 — Теория твердотельных устройств

Чистые полупроводники — относительно хорошие изоляторы по сравнению с металлами, хотя и не так хороши, как настоящий изолятор, например, стекло. Чтобы быть полезным в полупроводниковых приложениях, собственный полупроводник (чистый нелегированный полупроводник) должен иметь не более одного примесного атома в 10 млрд. Полупроводниковых атомов. Это аналогично зерну солевых примесей в железнодорожном вагоне сахара. Нечистые или грязные полупроводники значительно более проводящие, хотя и не так хорошо, как металлы. Почему это может быть «# 03403.png»> ниже.

Рисунок ниже (а) показывает четыре электрона в валентной оболочке полупроводника, образующего ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это сплющенная, более простая в использовании версия Figureabove. Все электроны атома связаны четырьмя ковалентными связями, парами общих электронов. Электроны не могут свободно перемещаться вокруг кристаллической решетки. Таким образом, собственные, чистые полупроводники являются относительно хорошими изоляторами по сравнению с металлами.

(a) Внутренний полупроводник представляет собой изолятор, имеющий полную электронную оболочку. (б) Однако тепловая энергия может создавать несколько пар электронных дырок, приводящих к слабой проводимости.

Тепловая энергия может иногда освобождать электрон от кристаллической решетки, как показано на рисунке (б). Этот электрон свободен для проводимости вокруг кристаллической решетки. Когда электрон был освобожден, он оставил пустое пятно с положительным зарядом в кристаллической решетке, известной как дырка . Это отверстие не прикреплено к решетке; но, свободно двигаться. Свободный электрон и дырка вносят вклад в проводимость вокруг кристаллической решетки. То есть электрон свободен, пока он не попадет в дыру. Это называется рекомбинацией . Если к полупроводнику приложено внешнее электрическое поле, электроны и дырки будут вестись в противоположных направлениях. Повышение температуры приведет к увеличению числа электронов и дырок, уменьшая сопротивление. Это противоположно металлам, где сопротивление возрастает с температурой за счет увеличения столкновений электронов с кристаллической решеткой. Число электронов и дырок в собственном полупроводнике равно. Однако обе несущие не обязательно движутся с одинаковой скоростью с применением внешнего поля. Другой способ заявить, что подвижность не то же самое для электронов и дырок.

Чистые полупроводники сами по себе не особенно полезны. Хотя, полупроводники должны быть очищены до высокой степени чистоты в качестве отправной точки перед добавлением конкретных примесей.

Полупроводниковый материал, чистый до 1 части в 10 миллиардов, может иметь удельные примеси, добавленные приблизительно на 1 часть на 10 миллионов, чтобы увеличить количество носителей. Добавление желаемой примеси к полупроводнику известно как легирование . Допинг увеличивает проводимость полупроводника, так что он более сопоставим с металлом, чем изолятор.

Можно увеличить число отрицательных носителей заряда в полупроводниковой кристаллической решетке путем легирования электронным донором, таким как Phosphorus. Электронные доноры, также известные как примеси N-типа, включают элементы из группы VA периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и сурьму. Азот и фосфор — примеси N-типа для алмаза. Фосфор, мышьяк и сурьма используются с кремнием.

Кристаллическая решетка на рис. Ниже (b) содержит атомы с четырьмя электронами во внешней оболочке, образуя четыре ковалентные связи с соседними атомами. Это ожидаемая кристаллическая решетка. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешней оболочке вводит дополнительный электрон в решетку по сравнению с атомом кремния. Пентавалентная примесь образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с четырьмя из пяти электронов, укладываясь в решетку с оставленным электроном. Заметим, что этот запасной электрон не сильно связан с решеткой, так как электроны нормальных атомов Si. Он свободно перемещается вокруг кристаллической решетки, не привязавшись к узлу решетки фосфора. Поскольку мы примем на одну часть фосфора в 10 миллионов атомов кремния, было создано мало свободных электронов по сравнению с многочисленными атомами кремния. Однако было создано много электронов по сравнению с меньшим числом электронно-дырочных пар в собственном кремнии. Применение внешнего электрического поля приводит к сильной проводимости в легированном полупроводнике в зоне проводимости (над валентной зоной). Более тяжелый уровень легирования дает более сильную проводимость. Таким образом, плохо проводящий собственный полупроводник был преобразован в хороший электрический проводник.

(a) Конфигурация электрона внешней оболочки донорного фосфора N-типа, кремния (для справки) и акцепторного типа P-типа. (б) Донорная примесь N-типа создает свободный электрон (c) Примесь-акцептор P-типа создает отверстие, положительный носитель заряда.

Также возможно ввести примесь, не имеющую электрона по сравнению с кремнием, имеющую три электрона в валентной оболочке по сравнению с четырьмя для кремния. В Figabove (c) это оставляет пустое пятно, известное как отверстие, положительный носитель заряда. Атом бора пытается связываться с четырьмя атомами кремния, но имеет только три электрона в валентной зоне. При попытке сформировать четыре ковалентные связи три электрона движутся вокруг, пытаясь сформировать четыре связи. Это заставляет отверстие двигаться. Кроме того, трехвалентный атом может занять электрон от соседнего (или более удаленного) атома кремния с образованием четырех ковалентных связей. Однако это оставляет атом кремния недостаточным одним электроном. Другими словами, отверстие переместилось в соседний (или более отдаленный) атом кремния. Отверстия находятся в валентной зоне, ниже уровня проводимости. При легировании акцептором электронов атом, который может принимать электрон, создает дефицит электронов, как и избыток дырок. Поскольку отверстия являются положительными носителями заряда, легирующая примесь электронов также известна как легирующая примесь типа Р. Присадка P-типа оставляет полупроводник с избытком отверстий, положительных носителей заряда. Элементы Р-типа из группы IIIA периодической таблицы включают: бор, алюминий, галлий и индий. Бор используется в качестве легирующей примеси P-типа для кремниевых и алмазных полупроводников, в то время как индий используется с германием.

«Мрамор в трубке», аналогичный электропроводности в рисунке ниже, относится к движению дырок с движением электронов. Мрамор представляет собой электроны в проводнике, трубе. Движение электронов слева направо, как в проводнике или полупроводнике N-типа, объясняется электроном, входящим в трубку слева, вынуждающим выход электрона справа. Проведение электронов N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением отверстия в валентной зоне.

Мрамор в аналогичной трубке: (а) Электроны движутся прямо в зоне проводимости, когда электроны входят в трубку. (b) Отверстие движется прямо в валентной зоне, когда электроны движутся влево.

Для входа в отверстие слева от рисунка (b) электрон должен быть удален. При перемещении отверстия слева направо электрон должен быть перемещен вправо. Первый электрон выталкивается с левого конца трубки, так что отверстие может перемещаться вправо в трубку. Электрон движется в противоположном направлении положительной дыры. Когда отверстие движется дальше вправо, электроны должны двигаться влево, чтобы разместить отверстие. Отверстие представляет собой отсутствие электрона в валентной зоне из-за легирования P-типа. Он имеет локализованный положительный заряд. Чтобы переместить отверстие в заданном направлении, валентные электроны движутся в противоположном направлении.

Поток электронов в полупроводнике N-типа аналогичен электронам, движущимся в металлической проволоке. Присадочные атомы N-типа будут обеспечивать доступность электронов для проводимости. Эти электроны, благодаря легирующей примеси, известны как основные носители, поскольку они в большинстве своем по сравнению с очень небольшими термальными дырами. Если электрическое поле применяется через полупроводниковый стержень N-типа на рисунке ниже (a), электроны входят в отрицательный (левый) конец стержня, проходят через кристаллическую решетку и выходят справа на клемму аккумулятора (+).

(a) полупроводник N-типа с электронами, движущимися слева направо через кристаллическую решетку. (б) полупроводник П-типа с дырками, движущимися влево-вправо, что соответствует электронам, движущимся в противоположном направлении.

Поток тока в полупроводнике P-типа немного сложнее объяснить. Присадка P-типа, акцептор электронов, дает локализованные области положительного заряда, известные как дырки. Основным носителем в полупроводнике P-типа является дырка. В то время как дырки образуются на участках трехвалентного легирующего атома, они могут перемещаться вокруг полупроводникового стержня. Обратите внимание, что батарея в Figabove (b) отменена из (a). Положительный вывод аккумулятора подключен к левому концу панели P-типа. Поток электронов выходит за отрицательную клемму аккумулятора через панель P-типа, возвращаясь к положительной клемме аккумулятора. Электрон, выходящий из положительного (левого) конца полупроводникового стержня для положительного вывода батареи, оставляет в полупроводнике отверстие, которое может перемещаться вправо. Отверстия пересекают кристаллическую решетку слева направо. На отрицательном конце стержня электрон от батареи соединяется с отверстием, нейтрализуя его. Это дает место для другого отверстия для перемещения в положительном конце стержня вправо. Имейте в виду, что по мере того как дырки перемещаются влево-вправо, это фактически электроны, движущиеся в противоположном направлении, которые отвечают за движение отверстия аппаранта.

Элементы, используемые для производства полупроводников, суммированы на рисунке ниже. Самый древний материал германия с объемным полупроводниковым материалом группы IVA используется только в ограниченной степени сегодня. На полупроводниковые материалы на основе кремния приходится около 90% коммерческого производства всех полупроводников. Алмазные полупроводники — это научно-исследовательская деятельность со значительным потенциалом в настоящее время. Составные полупроводники, не перечисленные, включают кремниевый германий (тонкие слои на пластинах Si), карбид кремния и соединения III-V, такие как арсенид галлия. Соединительные полупроводники III-VI включают: AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al _x Ga _1-x As и In _x Ga _1-x As. Столбцы II и VI периодической таблицы, не показанные на рисунке, также образуют составные полупроводники.

Присадки группы IIIA P-типа, базовые полупроводниковые материалы группы IV и легирующие добавки группы VA N-типа.

Основная причина включения групп IIIA и VA в Figabove заключается в том, чтобы показать легирующие примеси, используемые с полупроводниками группы IVA. Элементы группы IIIA представляют собой акцепторы, легирующие P-типа, которые принимают электроны, оставляя дырку в кристаллической решетке, положительную носитель. Борон является легирующей примесью P-типа для алмаза и наиболее распространенной легирующей примесью кремниевых полупроводников. Индий является легирующей примесью P-типа для германия.

Элементами группы VA являются доноры, легирующие примеси N-типа, дающие свободный электрон. Азот и фосфор являются подходящими присадками N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее часто используемыми легирующими веществами N-типа для кремния; хотя можно использовать сурьму.

• ОБЗОР:
• Внутренние полупроводниковые материалы, чистые до 1 части в 10 миллиардов, являются плохими проводниками.
• Полупроводник N-типа легирован пентавалентной примесью для создания свободных электронов. Такой материал является проводящим. Электрон является основным носителем.
• Полупроводник P-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет множество свободных дырок. Это положительные носители заряда. Материал P-типа является проводящим. Отверстие является основным носителем.
• Большинство полупроводников основаны на элементах из группы IVA периодической таблицы, причем наиболее распространенным является кремний. Германий почти устарел. В настоящее время разрабатывается углерод (алмаз).
• Широко используются сложные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).

Что такое дырка в полупроводнике – какие виды проводимости бывают?

Дырка

У этого термина существуют и другие значения, см. Дырка (значения).

Необходимо проверить качество перевода и привести статью в соответствие со стилистическими правилами Википедии. Вы можете помочь улучшить эту статью, исправив в ней ошибки. Оригинал на английском языке — Electron hole. Эта отметка стоит на статье с 1 мая 2012 года.

Дырка
Символ:	h (англ. hole)
Когда электрон покидает атом гелия, на его месте остается дырка. При этом атом становится положительно заряженным.
Состав:	Квазичастица
Классификация:	Лёгкие дырки, тяжёлые дырки
В честь кого и/или чего названа:	Отсутствие электрона
Квантовые0числа:
Электрический заряд:	+1
Спин:	Определяется спином электронов в валентной зоне ħ

Ды́рка — квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках.

Определение по ГОСТ 22622-77: «Незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд, численно равный заряду электрона».

Понятие дырки вводится в зонной теории для описания электронных явлений в не полностью заполненной электронами валентной зоне. В электронном спектре валентной зоны часто возникает несколько зон, различающихся величиной эффективной массы и энергетическим положением (зоны легких и тяжёлых дырок, зона спин-орбитально отщепленных дырок).

Физика твёрдого тела

В физике твёрдого тела ды́рка — это отсутствие электрона в почти полностью заполненной валентной зоне. В некотором смысле, поведение дырки в полупроводнике похоже на поведение пузыря в полной бутылке с водой.

Дырочную проводимость можно объяснить при помощи следующей аналогии: имеется ряд людей, сидящих в аудитории, где нет запасных стульев. Если кто-нибудь из середины ряда хочет уйти, он перелезает через спинку стула в пустой ряд и уходит. Здесь пустой ряд — аналог зоны проводимости, а ушедшего человека можно сравнить со свободным электроном. Представим, что ещё кто-то пришёл и хочет сесть. Из пустого ряда плохо видно, поэтому там он не садится. Вместо этого человек, сидящий возле свободного стула, пересаживается на него, вслед за ним это повторяют и все его соседи. Таким образом, пустое место как бы двигается к краю ряда. Когда это место окажется рядом с новым зрителем, он сможет сесть.

В этом процессе каждый сидящий передвинулся вдоль ряда. Если бы зрители обладали отрицательным зарядом, такое движение было бы электрической проводимостью. Если вдобавок стулья заряжены положительно, то ненулевым суммарным зарядом будет обладать только свободное место. Это простая модель, показывающая как работает дырочная проводимость. Однако на самом деле, из-за свойств кристаллической решётки, дырка не в определённом месте, как описано выше, а размазана по области размером во много сотен элементарных ячеек.

Для создания дырок в полупроводниках используется легирование кристаллов акцепторными примесями. Кроме того, дырки могут возникать и в результате внешних воздействий: теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости, освещения светом или облучения ионизирующим излучением.

В случае кулоновского взаимодействия дырки с электроном из зоны проводимости образуется связанное состояние, называемое экситоном.

Тяжёлые дырки — название одной из ветвей энергетического спектра валентной зоны кристалла.

Виды проводимости полупроводников

Полупроводниковые материалы имеют твердую кристаллическую структуру и по своему удельному сопротивлению (r = 10-4…1010 Ом ?см) занимают промежуточную область между проводниками электрического тока (r= 10-6…10-4 Ом ?см) и диэлектриками (r= 1010…1016 Ом ?см). При изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем наиболее широко используются германий, кремний и арсенид галлия. К полупроводникам относятся также селен, теллур, некоторые окислы, карбиды и сульфиды.

Характерным свойством полупроводников является сильное изменение удельного сопротивления под влиянием электрического поля, облучения светом или ионизированными частицами, а также при внесении в полупроводник примеси или его нагреве. Если при нагреве удельное сопротивление проводников увеличивается, то полупроводников и диэлектриков – уменьшается. Это свидетельствует о различном характере проводимости названных материалов.

Для выяснения характера проводимости полупроводников рассмотрим некоторый объем идеальной кристаллической решетки германия со строго упорядоченным расположением атомов в узлах решетки – элемента IV группы периодической системы элементов Менделеева. На рис. 1.1, а объемная кристаллическая решетка германия, элементарной геометрической фигурой которой является тетраэдр, представлена в виде плоскостной решетки. В процессе формирования кристалла атомы германия располагаются в узлах кристаллической решетки и связаны с другими атомами посредством четырех валентных электронов. Двойные линии между узлами решетки условно изображают ковалентную связь между каждой парой электронов, принадлежащих двум разным атомам

где Nn и Np – эффективные плотности состояний соответственно в зоне проводимости и валентной зоне; ЕF – уровень Ферми, под которым понимается такой энергетический уровень, вероятность заполнения которого электроном равна половине; k = 1,38?10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, К.

Перемножив равенства с учетом того, что эффективная масса дырки примерно равна массе электрона, при котором Nn » Np = N, получим

. (Поскольку в состоянии термодинамического равновесия концентрация электронов в зоне проводимости беспримесного полупроводника ni равна концентрации дырок в валентной зоне pi ,

, .

Следовательно, концентрация носителей заряда тем больше, чем выше температура и чем меньше ширина запрещенной зоны. При этих же условиях (ni= pi) из выражений и находим

. Таким образом, уровень Ферми в беспримесном полупроводнике при любой температуре расположен посредине запрещенной зоны.

Под действием тепловой энергии электроны в зоне проводимости так же, как и дырки в валентной зоне, совершают хаотическое тепловое движение. При этом возможен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками валентной зоны. Такой процесс исчезновения пар электрон-дырка называется рекомбинацией. Число рекомбинаций пропорционально концентрации носителей заряда.

Если к кристаллу приложить внешнее электрическое поле, то движение электронов и дырок приобретает направленность. Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля кристалл приобретает способность проводить электрический ток. Его проводимость тем больше, чем интенсивней процесс генерации пар электрон-дырка и определяется движением обоих видов носителей электронов и дырок. Общую проводимость находят по формуле

, (1.6)

где qn и qp– заряд электрона и дырки; n и p – подвижность электронов и дырок соответственно.

Такая проводимость называется собственной проводимостью, а беспримесные полупроводники – полупроводниками с собственной проводимостью или полупроводниками типа i Собственная проводимость обычно невелика. Причем, как электронная, так и дырочная проводимости обусловлены движением в полупроводнике только электронов. Однако в первом случае движутся электроны, находящиеся на энергетических уровнях зоны проводимости, в направлении, противоположном направлению электрического поля. Во втором случае перемещаются электроны валентной зоны, заполняя вакантные энергетические уровни (дырки), в направлении, противоположном перемещению дырок.

Если в кристалл германия добавить примесь элементов III или V группы таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примесные полупроводники обладают значительно большей проводимостью по сравнению с полупроводниками с собственной проводимостью.

При внесении в предварительно очищенный германий примеси пятивалентного элемента (например, мышьяка) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы германия. При этом четыре валентных электрона атома мышьяка, объединившись с четырьмя электронами соседних атомов германия, налаживают систему ковалентных связей, а пятый электрон оказывается избыточным. Энергетический уровень примеси ЕДлежит в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Поэтому уже при комнатной температуре избыточные электроны приобретают энергию, равную очень небольшой энергии их связи с атомами примеси (ЕД = Ее—ЕД), и переходят в зону проводимости.

Таким образом, в узлах кристаллической решетки германия, занимаемых атомами примеси, образуются положительно заряженные ионы, а в объеме кристалла перемещаются избыточные электроны, имеющие энергию зоны проводимости.

Если освободившиеся электроны находятся вблизи своих ионов, то микрообъем, в целом, остается электронейтральным. При уходе электронов из микрообъема в последнем образуется положительный объемный заряд. Поскольку ЕДЕ, то количество электронов, переходящих под действием тепловой или другого вида энергии в зону проводимости с примесного уровня, значительно превышает количество

электронов, переходящих в зону проводимости из валентной зоны, участвующих в генерации пар электрон-дырка. Следовательно, число электронов в кристалле при внесении пятивалентной примеси превышает число дырок. Такой полупроводник обладает, в основном, электронной проводимостью, или проводимостью n-типа (n-полупроводник), а примесь, способная отдавать электроны, называется донорной. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными – дырки.

При добавлении в кристалл германия примеси элементов III группы (например, индия) атомы индия замещают в узлах кристаллической решетки атомы германия. Однако в этом случае при комплектовании ковалентных связей одного электрона не хватает, поскольку атомы индия имеют лишь три валентных электрона (рис. 1.1, а). Так как примесный уровень индия Еа лежит в запрещенной зоне вблизи валентной зоны, то достаточно очень небольшой энергии Еа= Е– Еv<<E(например, за счет тепла окружающей среды), чтобы электроны из верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие связи. В результате в валентной зоне образуются избыточные вакантные энергетические уровни (дырки), а атомы индия превращаются в отрицательные ионы. Следовательно, число дырок в полупроводнике при внесении трехвалентной примеси превышает число электронов. Такой полупроводник обладает дырочной проводимостью или проводимостью типа p (p-полупроводник). Примесь, введение которой обусловливает образование дырок в валентной зоне, называется акцепторной. В полупроводнике типа p основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны.

>
IT News

Что такое полупроводник?

Дата Категория: Физика

Полупроводник — это кристаллический материал, который проводит электричество не столь хорошо, как металлы, но и не столь плохо, как большинство изоляторов. В общем случае электроны полупроводников крепко привязаны к своим ядрам. Однако, если в полупроводник, например, в кремний, ввести несколько атомов сурьмы, имеющей «избыток» электронов, то в этом случае свободные электроны сурьмы помогут кремнию переносить отрицательный заряд.

При замене нескольких атомов полупроводника индием, который легко присоединяет к себе дополнительные электроны, в полупроводнике образуются не занятые электронами «свободные места», или, как говорят физики, «дырки»; которые переносят положительный заряд.

Такие свойства полупроводников привели к их широкому использованию в транзисторах — устройствах для усиления тока, его блокирования или пропускания только в одном направлении. В типичном NPN транзисторе, слой полупроводника с положительной (Р) проводимостью (основание), расположен между двумя слоями полупроводника с отрицательной (N) проводимостью (эмиттером и коллектором). Когда слабый сигнал, например, от интеркома (аппарата селекторной связи), проходит через основание NPN транзистора, эмиссия электронов этот сигнал усиливает.

Строение полупроводников

Полупроводники N-типа содержат избыточное количество электронов, переносящих отрицательный заряд. Полупроводники Р-типа испытывают нехватку электронов, но зато имеют избыток дырок (вакантных мест для электронов), которые переносят положительный заряд.

Отличительные признаки полупроводников

В отличие от проводников, имеющих много свободных электронов, и изоляторов, практически их не имеющих, полупроводники содержат небольшое количество свободных электронов и так называемые дырки (белый кружочек) — вакантные места, оставленные свободными электронами. И дырки и электроны проводят электрический ток.

NPN транзистор

PNP транзистор

Дырки перемещаются от положительного эмиттера (+) к отрицательному основанию (N-слою) и далее через положительный коллектор к отрицательной клемме (-), усиливая электрический ток.

Что такое диод?

В одну сторону да, в другую — нет. Входной сигнал диода показывает переменный ток; из правого графика видно, что через диод проходит только постоянный ток.

Когда отрицательно заряженные электроны (голубые шарики) и положительно заряженные дырки (розовые шарики) расходятся от стыка слоев кремния N-типа и Р-типа в диоде, электрический ток прерывается. На нижнем рисунке справа электроны и дырки перемещаются к стыку, и в результате диод проводит ток только в одном направлении, превращая переменный ток в постоянный.

Производство

Исследование и первые попытки создания полупроводниковых приборов проводились в СССР еще в 1920-30-х годах. В 1924 году в Нижегородской радиолаборатории учёный О. В. Лосев создал полупроводниковый детектор-усилитель и детектор-генератор электромагнитных излучений на частоты до десятков МГц. На этой основе впервые в мире было создано детекторное приемопередаточное устройство — кристадин.

Позже в СССР для развития отрасли были созданы научно-исследовательские институты и центры. В 1956 году введен в эксплуатацию Завод полупроводниковых приборов. Среди продукции завода на то время — пальчиковые лампы широкого применения и сверхминиатюрные стержневые лампы, первые полупроводниковые диоды Д2, диоды Д9, Д10, Д101-103А, Д11, стабилитроны Д808-813.

В 2014 году на Заводе полупроводниковых приборов была запущена новая линия производства для разработки и освоения современных сложных корпусов для интегральных микросхем.

Среди крупных производителей интегральных микросхем в СССР и РФ — ОКБ «Искра». Среди продукции предприятия — сильноточные транзисторы, транзисторные модули и силовые быстровосстанавливающиеся диоды. В настоящее время предприятие выпускает микросхемы для нужд российского флота, армии, космоса и атомной энергетики.

На данный момент оба предприятия входят в холдинг «Росэлектроника».

> См. также

• Полупроводник
• Полупроводниковые материалы

Химия — Полупроводник — Список полупроводников

01 марта 2011
Оглавление:
1. Полупроводник
2. Механизм электрической проводимости полупроводников
3. Собственная плотность
4. Использование полупроводников в радиотехнике
5. Типы полупроводников в периодической системе элементов
6. Физические свойства и применение
7. Методы получения
8. Список полупроводников

Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:

• простые полупроводниковые материалы — собственно химические элементы: бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te и йод I. Самостоятельное применение широко нашли германий, кремний и селен. Остальные чаще всего применяются в качестве легирующих добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов;
• в группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более химических элементов. Полупроводниковые материалы этой группы, состоящие из двух элементов, называют бинарными, и так же, как это принято в химии, имеют наименование того компонента, металлические свойства которого выражены слабее. Так, бинарные соединения, содержащие мышьяк, называют арсенидами, серу — сульфидами, теллур — теллуридами, углерод — карбидами. Сложные полупроводниковые материалы объединяют по номеру группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, к которой принадлежат компоненты соединения, и обозначают буквами латинского алфавита. Например, бинарное соединение фосфид индия InP имеет обозначение AB

Широкое применние получили следующие соединения:

AB

• InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN

AB

AB

• ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS

AB

• PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

а также некоторые окислы свинца, олова, германия, кремния а также феррит, аморфные стёкла и многие другие соединения.

На основе большинства из приведённых бинарных соединений возможно получение их твёрдых растворов:x1-x,x1-x,x1-x,x1-x и других.

Соединения AB, в основном, применяются для изделий электронной техники, работающих на сверхвысоких частотах

Соединения AB используют в качестве люминофоров видимой области, светодиодов, датчиков Холла, модуляторов.

Соединения AB, AB и AB применяют при изготовлении источников и приёмников света, индикаторов и модуляторов излучений.

Окисные полупроводниковые соединения применяют для изготовления фотоэлементов, выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей.

Физические свойства соединений типа AB

Параметры	AlSb	GaSb	InSb	AlAs	GaAs	InAs
Температура плавления, К	1 333	998	798	1 873	1 553	1 218
Постоянная решётки, Å	6,14	6,09	6,47	5,66	5,69	6,06
Ширина запрещённой зоны ΔE, эВ	0,52	0,7	0,18	2,2	1,32	0,35
Диэлектрическая проницаемость ε	8,4	14,0	15,9	—	—	—
Подвижность, см²/:
электронов	50	5 000	60 000	—	4 000	3 400
дырок	150	1 000	4 000	—	400	460
Показатель преломления света, n	3,0	3,7	4,1	—	3,2	3,2
Линейный коэффициент теплового расширения, K	—	6,9·10	5,5·10	5,7·10	5,3·10	—

Группа IV

• собственные полупроводники
  • Кремний, Si
  • Германий, Ge
  • Серое олово, α-Sn

• составной полупроводник
  • Карбид кремния, SiC
  • Кремний-германий, SiGe

Группа III-V

• 2-х компонентные полупроводники
  • Антимонид алюминия, AlSb
  • Арсенид алюминия, AlAs
  • Нитрид алюминия, AlN
  • Фосфид алюминия, AlP
  • Нитрид бора, BN
  • Фосфид бора, BP
  • Арсенид бора, BAs
  • Антимонид галлия, GaSb
  • Арсенид галлия, GaAs
  • Нитрид галлия, GaN
  • Фосфид галлия, GaP
  • Антимонид индия, InSb
  • Арсенид индия, InAs
  • Нитрид индия, InN
  • фосфид индия, InP

• 3-х компонентные полупроводники
  • AlxGa1-xAs
  • InGaAs, InxGa1-xAs
  • InGaP
  • AlInAs
  • AlInSb
  • GaAsN
  • GaAsP
  • AlGaN
  • AlGaP
  • InGaN
  • InAsSb
  • InGaSb

• 4-х компонентные полупроводники
  • AlGaInP, InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP
  • AlGaAsP
  • InGaAsP
  • AlInAsP
  • AlGaAsN
  • InGaAsN
  • InAlAsN
  • GaAsSbN

• 5-ти компонентные полупроводники

Группа II-VI

• 2-х компонентные полупроводники
  • Селенид кадмия, CdSe
  • Сульфид кадмия, CdS
  • Теллурид кадмия, CdTe
  • Оксид цинка, ZnO
  • Селенид цинка, ZnSe
  • Сульфид цинка, ZnS
  • Теллурид цинка, ZnTe

• 3-х компонентные полупроводники
  • CdZnTe, CZT
  • HgCdTe
  • HgZnTe
  • HgZnSe

Группа I-VII

• 2-х компонентные полупроводники
  • Хлорид меди, CuCl

Группа IV-VI

• 2-х компонентные полупроводники
  • Селенид свинца, PbSe
  • Сульфид свинца, PbS
  • Теллурид свинца, PbTe
  • Сульфид олова, SnS
  • Теллурид олова, SnTe

• 3-х компонентные полупроводники

Группа V-VI

• 2-х компонентные полупроводники
  • Теллурид висмута, Bi2Te3

Группа II—V

• 2-х компонентные полупроводники
  • Фосфид кадмия, Cd3P2
  • Арсенид кадмия, Cd3As2
  • Антимонид кадмия, Cd3Sb2
  • Фосфид цинка, Zn3P2
  • Арсенид цинка, Zn3As2
  • Антимонид цинка, Zn3Sb2

Другие

• • CuInGaSe
  • Силицид платины, PtSi
  • Иодид висмута, BiI3
  • Иодид ртути, HgI2
  • Бромид таллия, TlBr

• • Иодид меди, PbI2
  • Дисульфид молибдена, MoS2
  • Селенид галлия, GaSe
  • Сульфид олова, SnS
  • Сульфид висмута, Bi2S3

• Разные оксиды
  • Диоксид титана, TiO2
  • Оксид меди, Cu2O
  • Оксид меди, CuO
  • Диоксид урана, UO2
  • Триоксид урана, UO3

Органические полупроводники

• Тетрацен
• Пентацен
• Акридон
• Перинон
• Флавантрон
• Индантрон
• Индол
• Alq3

Магнитные полупроводники

• Ферромагнетики
  • Оксид европия, EuO
  • Сульфид европия, EuS
  • CdCr2Se4
  • GaMnAs
  • Pb1-xSnxTe легированный Mn2+
  • GaAs легированный Mn2+
  • ZnO легированный Co2+
• Антиферромагнетики
  • Теллурид европия, EuTe
  • Селенид европия, EuSe
  • Оксид никеля, NiO

Просмотров: 9071

Этиленвинилацетат

Антимонид галлия >>>

Дырки полупроводники — Справочник химика 21

    Распространено явление катализа на полупроводниках. Участие полупроводников в каталитических процессах Ф. Ф. Волькенштейном объясняется как результат взаимодействия реагирующих веществ с электронами или дырками полупроводника (свободными валентностями твердого тела). Наряду с указанными коллективными свойствами учитываются локальные свойства поверхности, возможность образования лабильных поверхностных структур и их специфическое взаимодействие. [c.185]
    Резюмируем в нескольких фразах содержание теории на данном этапе ее развития. В электронной теории показы-вается, что в образо-ваиии хемосорбционных связей принимают участие свободные злектро-ны и дырки полупроводника (выполняющие функции свободных валентностей), причем от степени их участия в связях зависит, как. показывается, прочность связей, а также реакционная способность хемосорби-ро ванных частиц. Следствием этого, как показывается, является то, что во все формулы электро ной теории попадает уровень Ферми, что в свою очередь имеет ряд следствий, которые и рассматриваются в электронной теории. [c.77]

    По Ф. Ф. Волькенштейну [8], понятие электронный переход в катализе и хемосорбции — некорректно. Правильнее говорить о той плп иной степени затягивания электрона иди дырки полупроводника на адсорбированную частицу (см. 1). [c.7]

    Механизм хемосорбции и катализа на полупроводниках сильно напоминает механизм этих явлений на металлах свободные электроны или дырки полупроводника прини мают участие в образовании хемосорбционных связей. [c.128]

    В общем же в многофазных системах пока трудно определить связь электронных свойств с каталитической активностью. Тем не менее общим для всех работ в этом направлении является вывод о том, что каталитический акт на полупроводнике обусловлен переходом электронов от реагента к катализатору или обратно и, следовательно, как это вытекает из электронной теории Ф. Ф. Волькенштейна [9], активными центрами в этом случае являются блуждающие электроны проводимости или дырки полупроводника. [c.92]

    Итак, в электронной теории Волькенштейна показано, что в образовании хемосорбционных связей принимают участие свободные электроны и дырки полупроводника, выполняющие функции свободных валентностей, причем от степени их участия в этих связях зависит прочность связей и реакционная способность хемосорбированных частиц. Следствием этого является то, что во все формулы электронной теории входит уровень Ферми. [c.128]

    Электронная теория катализа на полупроводниках, основанная на зонной теории твердого тела, рассматривает в основном коллективные взаимодействия. Каталитическая реакция трактуется как результат взаимодействия реагирующих веществ с электронами и дырками полупроводника, концентрация которых определяет наблюдаемую скорость процесса и зависит от коллективных свойств кристалла. Все химические свойства реагирующего вещества при этом сводятся к потенциалу ионизации или сродству к электрону, а химические особенности катализатора — к положению уровня Ферми. Применительно к такому сложному химическому явлению, как катализ, такой подход односторонен и наряду с коллективными необходимо учитывать локальные взаимодействия. [c.168]

    Большинство неметаллических катализаторов обладает полупроводниковыми свойствами, поэтому заманчиво использовать это их свойство в качестве ключа к раскрытию природы активности. Такая возможность связана со способностью полупроводника обмениваться зарядом с адсорбированной частицей, принимая или отдавая электрон. Согласно существующей теории, центром хемосорбции (активным центром) является свободный электрон (или дырка ) полупроводника. Адсорбированные атомы или молекулы рассматриваются как примеси, нарушающие строго периодическую структуру решетки. В энергетическом спектре кристалла они могут быть изображены локальными уровнями, расположенными в запрещенной зоне полупроводника (см. гл. V). Разные частицы занимают различные уровни в запрещенной зоне. Если реагирующая частица занимает уровень, расположенный ближе к зоне проводимости, т. е. уровень адсорбированной частицы находится выше уровня Ферми на поверхности, то все хемосорбционные частицы являются донорами электронов. Если же уровень адсорбированной частицы ниже уровня Ферми, она является акцептором электронов. Таким образом, адсорбционная способность и каталитическая активность поверхности полупроводника определяются взаимным расположением локального уровня адсорбированрой частицы и по,ложением уровня Ферми на поверхности. Реакция называется акцепторной, если скорость 472 [c.472]

    Возможны три вида связи хемосорб11рованной частицы (атома, молекулы) с поверхностью твердого тела 1) слабая связь, 2) прочная акцепторная связь и 3) прочная донорная связь. В первом случае электрон хемосорбпрованной частицы затягивается на катион решетки или же электрон аниона решетки затягивается на хемосорбированную частицу. Последняя остается электрически нейтральной. Во втором случае электрон адсорбированной на катионе частицы взаимодействует со свободным электроном полупроводника, осуществляя таким образом химическую связь с решеткой. В третьем случае атом или молекула адсорбируется на анионе решетки и вступает во взаимодействие со свободной дыркой полупроводника. [c.8]

    В р-полупроводниках отклонение от стехиометрического состава вызывается отсутствием определенного числа ионов металла в кристаллической решетке окалины (вакансии катионов — квадраты на рис. 1П-3, а). Для сохранения электронейтральности кристаллов окалины нехватка положительных зарядов компенсируется соответствующим числом катионов повышенной валентности (например, Си в случае полупроводника СйаО), называемых электронными дырками. Полупроводниками такого типа являются также окислы N 0, РеО, СоО, В120з, СГ2О3. [c.65]

    Полупроводники, в которых подвижны электроны, называют полупроводниками л-типа (от negativ — отрицательно), а те, в которых подвижны положительные дырки, — полупроводниками р-типа (от poii/iu — положительно). [c.18]

---

Идеальный лазерный материал прошел проверку

Иллюстрация. Излучение света при взаимном уничтожении электрона и дырки — принцип работы полупроводникового диодного лазера. Дизайнер: Елена Хавина, пресс-служба МФТИ

Недавно были обнаружены материалы, названные вейлевскими полуметаллами, в которых носители заряда ведут себя подобно электронам и позитронам в ускорителях заряженных частиц. Ученые из МФТИ и Института Иоффе теоретически доказали, что эти материалы являются идеальными усиливающими средами для лазеров. Работа опубликована в журнале Physical Review B.

Начало XXI века в физике — это зачастую поиск явлений из мира элементарных частиц в подручных материалах. Электроны в некоторых кристаллах по своим свойствам будто разогнаны до околосветовых скоростей, как в ускорителях частиц, а в других они и вовсе могут напоминать по свойствам материю черных дыр. Физики из МФТИ вывернули этот поиск наизнанку и доказали, что запрещенные реакции для элементарных частиц могут оставаться запрещенными и в кристаллических материалах — вейлевских полуметаллах. Конкретно речь идет о реакции взаимного уничтожении частиц и античастиц без излучения света. Благодаря этому запрету Вейлевский полуметалл может оказаться идеальной усиливающей средой для лазера.

В полупроводниковом лазере излучение возникает при взаимном уничтожении электронов и положительно заряженных частиц — так называемых дырок. Однако излучение света при встрече электрона и дырки не является единственно возможным исходом. Так, пара может отдать свою энергию на раскачку колебаний атомов или на нагрев остальных электронов. Последний процесс называется Оже́-рекомбинацией (в честь французского физика Пьера Оже). Именно он ограничивает эффективность существующих лазеров видимого и инфракрасного диапазона и делает практически невозможным создание лазеров терагерцового диапазона. Действительно, Оже-рекомбинация «съедает» электрон-дырочные пары, которые иначе могли бы породить свет, к тому же она сильно греет полупроводник.

Поиск «волшебного материала», в котором Оже-рекомбинация идет медленно по сравнению с излучательной рекомбинацией, не прекращается на протяжении уже почти сотни лет. Путеводной в этом поиске является идея, высказанная Полем Дираком в 1928 году. Он разработал теорию, которая предсказывала, помимо уже известного к тому времени электрона, существование его положительно заряженного двойника — позитрона, открытого всего 4 года спустя. Согласно расчетам Дирака, взаимное уничтожение электрона и позитрона возможно только с испусканием света, но не с передачей энергии другим электронам. Именно поэтому поиск «волшебного лазерного материала» сводился в значительной степени к поиску аналогов дираковских электрона и позитрона в полупроводниках.

«В 1970-е годы надежды возлагались на соли свинца, в 2000-е — на графен. Однако и здесь, и там вскрывались отклонения свойств частиц в полупроводниках от идеи Дирака. Особенно нетривиальным оказался случай графена, где сжатие электронов и дырок в двумерную плоскость открывает возможность Оже-рекомбинации. В двумерном мире частицам слишком тесно, сложно избежать столкновения. В своей работе мы показываем, что в вейлевских полуметаллах аналогия с электронами и позитронами Дирака реализуется наиболее полно», — говорит руководитель исследования, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов Дмитрий Свинцов.

Электрон и дырка в полупроводнике и вправду похожи на электрон и позитрон из теории Дирака, хотя бы знаками заряда. Но этого недостаточно для запрещения Оже-рекомбинации. Необходимо, чтобы законы дисперсии электрона и дырки в полупроводнике совпали с таковыми для частиц Дирака. Закон дисперсии — это зависимость кинетической энергией частицы от ее импульса. Она кодирует всю информацию о движении частиц и реакциях, в которые они могут вступать.

Для всех объектов в классической механике — камней, планет, космических кораблей — закон дисперсии является квадратичным. То есть увеличение импульса в два раза требует четырехкратного увеличения энергии. Таким же закон дисперсии является в «обычных» полупроводниках — кремнии, германии, арсениде галлия. А вот для фотонов — переносчиков света — закон дисперсии является линейным. Отсюда сразу следует, что все фотоны движутся с одной скоростью — скоростью света. Электроны и позитроны в теории Дирака объединяют свойства камней и фотонов: при малых энергиях их закон дисперсии квадратичен, а при больших — линеен. Однако «забросить» электрон на линейный участок закона дисперсии можно было только в ускорителе заряженных частиц.

Недавно были обнаружены материалы, которые можно образно назвать «карманными ускорителями» заряженных частиц. К ним относят графен — «ускоритель на кончике карандаша» и его трехмерные аналоги — полуметаллы Вейля (арсенид тантала, фосфид ниобия, теллурид молибдена). В них закон дисперсии электронов и дырок является линейным уже начиная с бесконечно малых энергий. То есть переносчики тока ведут себя подобно фотонам с электрическим зарядом. Эти частицы также можно считать аналогами электрона и позитрона в теории Дирака, однако их масса стремится к нулю.

Авторы работы доказали, что запрет Оже-рекомбинации будет работать в полуметаллах Вейля даже несмотря на нулевую массу частиц. Предвидя возражения о том, что закон дисперсии в реальных кристаллах всегда имеет более сложную форму, авторы пошли дальше и рассчитали вероятность «остаточной Оже-рекомбинации», появляющейся из-за отклонений закона дисперсии от линейного. В зависимости от концентрации электронов эта вероятность, как оказалось, может быть на 4 порядка медленнее, чем в известных полупроводниковых материалах. То есть идея Дирака, по их расчетам, в этих материалах действительно работает с высокой точностью.

«Мы знакомы с горьким опытом предшественников, которые надеялись на точное воспроизведение закона дисперсии, предсказанного Дираком, в реальных кристаллах. Поэтому и сделали все возможное, чтобы выявить возможные лазейки для Оже-процесса в этих новых материалах, полуметаллах Вейля. Такие лазейки имеются — например, в реальном материале существует несколько „сортов“ электронов, которые отличаются скоростями. Медленные электрон и дырка могут сгорать, а быстрые — подхватывать энергию. Однако эта возможность, по нашим расчетам, является маловероятной», — добавляет Дмитрий Свинцов.

Получающееся время жизни электрон-дырочной пары оказалось около десятка наносекунд. В бытовом понимании это очень мало, но для лазерной физики — огромная величина. В привычных материалах, используемых в лазерных технологиях дальнего инфракрасного диапазона, электроны и дырки живут в тысячи раз меньше. Возможность существенного продления времени жизни неравновесных электронов и дырок в новых материалах открывает перспективы для их использования в новых типах длинноволновых лазеров.

Научная статья: Relativistic suppression of Auger recombination in Weyl semimetals; A.N. Afanasiev, A.A. Greshnov, and D. Svintsov; Phys. Rev. B 99, 115202 — published March 4, 2019

отверстие

К

В физике дырка — это носитель электрического заряда с положительным зарядом, равным по величине, но противоположным по полярности заряду электрона. Дырки и электроны — это два типа носителей заряда, ответственных за ток в полупроводниковых материалах.

Дырка — это отсутствие электрона в определенном месте атома. Хотя это не физическая частица в том же смысле, что и электрон, дырка может передаваться от атома к атому в полупроводниковом материале.Электроны вращаются вокруг ядра на определенных уровнях энергии, называемых полосами или оболочками . Дырка образуется в атоме, когда электрон перемещается из так называемой валентной зоны (оболочка вне замкнутых оболочек, которая частично или полностью заполнена электронами) в зону проводимости (внешнее «облако», из которого электроны легче всего ускользает от атома или принимается им).

И электроны, и дырки присутствуют в любом полупроводниковом веществе.Электроны текут от минуса к плюсу, а дырки «текут» от плюса к минусу. Наиболее распространенные носители заряда называются основными носителями ; менее распространенные — неосновных перевозчиков . В полупроводниковом материале N-типа электроны являются основными носителями, а дырки — неосновными носителями. В полупроводниковом материале P-типа все наоборот.

При обработке полупроводников количество носителей заряда может быть увеличено с помощью процесса, известного как легирование , который состоит из добавления незначительных количеств элементов, называемых примесями .Некоторые примеси при добавлении в полупроводниковый элемент, такой как кремний, увеличивают количество электронов и образуют материал N-типа; другие примеси увеличивают количество отверстий и образуют материал P-типа. Материал как N-типа, так и P-типа важен при производстве твердотельных электронных компонентов.

Последний раз обновлялся в мае 2008 г.

Электронная дыра — Энергетическое образование

Рисунок 1.Схема, показывающая кристаллическую решетку и то, как движение электрона из валентной зоны создает дыру. ^[1]

Электронная дырка — один из двух типов носителей заряда, которые отвечают за создание электрического тока в полупроводниковых материалах. Дырку можно рассматривать как «противоположность» электрона. В отличие от электрона с отрицательным зарядом, дырки имеют положительный заряд, равный по величине, но противоположный по полярности заряду электрона. ^[2]

Дыры иногда могут сбивать с толку, поскольку они не являются физическими частицами в отличие от электронов, а скорее являются отсутствием электрона в атоме. Дырки могут перемещаться от атома к атому в полупроводниковых материалах, когда электроны покидают свои позиции. ^[2] Может оказаться полезной аналогия. Представьте себе людей, стоящих в очереди на ступеньках. Если человек, идущий впереди очереди, поднимается на одну ступеньку, он оставляет дыру. По мере того, как каждый поднимается на одну ступеньку, доступная ступень (отверстие) перемещается по ступеням.

Дыры образуются, когда электроны в атомах выходят из валентной зоны (самая внешняя оболочка атома, полностью заполненная электронами) в зону проводимости (область в атоме, откуда электроны могут легко уйти), что происходит повсюду в полупроводник.

Для стимулирования образования дырок полупроводники легируют определенными элементами. Эти полупроводники, в которых дырки являются наиболее заметными носителями заряда, известны как p-тип. ^[2] Когда элемент, внешняя оболочка которого на один электрон меньше кремния, например бор, добавляется в кристаллическую структуру кремния, он заменяет один из атомов кремния в кристаллической структуре. ^[3] Это можно увидеть на рисунке 1. Эти дырки легко принимают свободные электроны и дополняют полупроводники n-типа, поскольку избыточные электроны n-типа могут поглощаться p-типом. Это свойство является неотъемлемой частью p-n-перехода, жизненно важного компонента в работе диодов и фотоэлектрических элементов. Электропроводность резко возрастает с образованием дополнительных электронов или дырок. ^[4]

И электроны, и дырки жизненно важны для создания тока в полупроводниках.Под действием некоторого внешнего напряжения и электроны, и дырки могут перемещаться через полупроводниковый материал. Этот процесс известен как применение прямого или обратного смещения. ^[4]

Чтобы получить более подробную информацию об этой концепции, щелкните здесь или здесь.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Как движутся дырки в полупроводнике?

В этой статье мы собираемся обсудить дырки в полупроводниковых кристаллах.Наша основная дискуссия — «Как дырки движутся в полупроводнике?». Помимо этого, здесь также обсуждаются определение и изготовление отверстия.

Люди также спрашивают

1. Что такое дырка в полупроводнике?
2. Определите отверстие в полупроводнике.
3. Как дырки производятся в полупроводнике?
4. Как может двигаться дырка в полупроводнике?

Какие дыры в полупроводнике?

Дыры не являются физическими объектами.Это отсутствие электронов. Когда электрон перескакивает в зону проводимости из валентной зоны полупроводникового кристалла , в валентной зоне возникает свободное место. Это пустующее место называется ямой.

Таких примеров очень много —

1. Тьма — это отсутствие света.
2. Холод или прохлада — это отсутствие тепла.

Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, отсутствие электрона означает уменьшение отрицательного заряда на ту же величину, что и заряд электрона.Это означает, что свободное место будет иметь положительный заряд, равный заряду электрона. Следовательно, заряд дырки положительный, а величина заряда дыры равна заряду электрона.

Как дырка образовалась в кристалле полупроводника? Производство дырок в кристалле полупроводника

Если вы подводите тепло к кристаллу полупроводника, электроны поглощают тепловую энергию и возбуждаются. Получив достаточное количество энергии, электроны перескакивают в зону проводимости из валентной зоны.В результате в валентной зоне возникают вакантные места из-за отсутствия этих электронов. Эти свободные места — не что иное, как дыры. Так образуются дырки в кристалле полупроводника.

Как движутся дырки в кристалле полупроводника?

Выше мы узнали, что дыра не является физическим объектом. Итак, он не может двигаться. Но мы используем такой термин, как «движение отверстия вызывает протекание тока в полупроводнике». Давайте разберемся, в чем дело.

Движение дырки в полупроводнике

На самом деле дырка — это свободное место или отсутствие электрона в валентной зоне.Опять же, кристалл полупроводника имеет большое количество электронов в валентной зоне. Пусть в точке A есть дырка или свободное место. Теперь, если электрон приходит из точки B, чтобы заполнить вакантное место в точке A, в точке B появится свободное место. Тогда мы можем сказать, что свободное место или дырка переместились. из точки А в точку Б. Таким образом, движение дырок есть не что иное, как движение электронов в противоположном направлении.

Это все из этого поста. Если у вас есть какие-либо вопросы по этому поводу, вы можете задать мне их в разделе комментариев.

Спасибо!

Связанные сообщения:

1. Внутренний и внешний полупроводник
2. Схема диода с pn переходом, формирование и характеристики
3. Биполярный переходной транзистор (BJT)

Что такое пара электрон-дырка в полупроводниках

В полупроводнике свободных носителей заряда — это электрон и электронная дырка (электронно-дырочная пара).Электроны и дырки создаются путем возбуждения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Электронная дырка (часто называемая просто дыркой) — это отсутствие электрона в том месте, где он мог бы существовать в атоме или атомной решетке. Это один из двух типов носителей заряда, ответственных за создание электрического тока в полупроводниковых материалах. Поскольку в нормальном атоме или кристаллической решетке отрицательный заряд электронов уравновешивается положительным зарядом атомных ядер, отсутствие электрона оставляет чистый положительный заряд в месте расположения дыры.Положительно заряженные дырки могут перемещаться от атома к атому в полупроводниковых материалах, когда электроны покидают свои позиции. Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют, и эти свободные носители эффективно исчезают. Рекомбинация означает, что электрон, который был возбужден из валентной зоны в зону проводимости, возвращается в пустое состояние в валентной зоне, известное как дырки.

Проводимость полупроводника может быть смоделирована в терминах зонной теории твердых тел .Зонная модель полупроводника предполагает, что при обычных температурах существует конечная вероятность того, что электроны могут достичь зоны проводимости и внести свой вклад в электрическую проводимость. В полупроводнике свободные носители заряда ( электронно-дырочная пара, ) создаются путем возбуждения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Это возбуждение оставило дыру в валентной зоне, которая ведет себя как положительный заряд, и создается электронно-дырочная пара. Иногда отверстия могут сбивать с толку, поскольку они не являются физическими частицами в отличие от электронов, а скорее представляют собой отсутствие электрона в атоме. Дырки могут перемещаться от атома к атому. в полупроводниковых материалах, когда электроны покидают свои позиции.

Электронное возбуждение в полупроводниках

Энергия для возбуждения может быть получена разными способами.

Thermal Excitation

Электронно-дырочные пары также постоянно генерируются за счет тепловой энергии при отсутствии какого-либо внешнего источника энергии. Для теплового возбуждения не требуется никакой другой формы пускового импульса. Это явление происходит также при комнатной температуре.Это вызвано примесями, неоднородностью кристаллической решетки или легирующей добавкой. Это сильно зависит от зазора E _{(расстояние между валентной зоной и зоной проводимости), так что для более низкого зазора} E _{количество термически возбужденных носителей заряда увеличивается. Поскольку тепловое возбуждение приводит к шуму детектора, для некоторых типов полупроводников (например, германия) требуется активное охлаждение. Детекторы на основе кремния обладают достаточно низким уровнем шума даже при комнатной температуре. Это вызвано большой шириной запрещенной зоны кремния (Egap = 1.12 эВ), что позволяет нам эксплуатировать детектор при комнатной температуре, но для уменьшения шума предпочтительнее охлаждение.}

Оптическое возбуждение

Обратите внимание, что энергия одного фотона видимого светового спектра сравнима с этими значениями запрещенной зоны. Фотоны с длинами волн 700–400 нм имеют энергию 1,77 эВ 3,10 эВ. В результате видимый свет также может возбуждать электроны в зону проводимости. Собственно, это принцип фотоэлектрических панелей, вырабатывающих электрический ток.

Возбуждение ионизирующим излучением

Электроны могут достигать зоны проводимости, когда они возбуждены ионизирующим излучением (т.е.е. они должны получать энергию выше, чем Egap). В общем, тяжелые заряженные частицы передают энергию главным образом:

• Возбуждением. Заряженная частица может передавать энергию атому, поднимая электроны на более высокие энергетические уровни.
• Ионизация. Ионизация может произойти, когда заряженная частица имеет достаточно энергии, чтобы удалить электрон. Это приводит к созданию ионных пар в окружающем веществе.

Удобной переменной, описывающей ионизационные свойства окружающей среды, является тормозная способность .Классическое выражение, описывающее удельные потери энергии, известно как формула Бете. Для альфа-частиц и более тяжелых частиц тормозная способность большинства материалов очень высока для тяжелых заряженных частиц, и эти частицы имеют очень короткие пробеги.

В дополнение к этим взаимодействиям, бета-частицы также теряют энергию из-за радиационного процесса, известного как тормозное излучение . Согласно классической теории, когда заряженная частица ускоряется или замедляется, она должна излучать энергию , а замедляющее излучение известно как тормозное излучение («тормозное излучение») .

Фотоны (гамма-лучи и рентгеновские лучи) могут ионизировать атомы напрямую (несмотря на то, что они электрически нейтральны) посредством фотоэлектрического эффекта и эффекта Комптона, но вторичная (непрямая) ионизация гораздо более значима. Хотя известно большое количество возможных взаимодействий, существует три ключевых механизма взаимодействия с веществом.

Во всех случаях частица ионизирующего излучения выделяет часть своей энергии на своем пути. Частица, проходящая через детектор, ионизирует атомы полупроводника, создавая электронно-дырочные пары .Например, типичная толщина кремниевого детектора составляет около 300 мкм, поэтому количество пар электрон-дырка, генерируемых минимальной ионизирующей частицей (MIP), проходящей перпендикулярно через детектор, составляет около 3,2 x 10 ⁴ . Эта величина незначительна по сравнению с общим количеством свободных носителей в собственном полупроводнике с поверхностью 1 см ² и той же толщины. Обратите внимание, что образец чистого германия при 20 ° C содержит около 1,26 × 10 ²¹ атомов, но также содержит 7.5 x 10 ¹¹ свободных электронов и 7,5 x 10 ¹¹ дырок, постоянно генерируемых за счет тепловой энергии. Как видно, отношение сигнал / шум (S / N) будет минимальным. Добавление 0,001% мышьяка (примеси) дает дополнительные 10 ¹⁵ свободных электронов в том же объеме, а электрическая проводимость увеличивается в 10 000 раз. В легированном материале отношение сигнал / шум (S / N) будет еще меньше. Охлаждение полупроводника. — один из способов снизить это соотношение.

Улучшение может быть достигнуто за счет использования напряжения обратного смещения к P-N переходу для истощения детектора свободных носителей, что является принципом большинства кремниевых детекторов излучения. В этом случае отрицательное напряжение приложено к стороне p, а положительное — ко второй. Дырки в p-области притягиваются от перехода к p-контакту и аналогично для электронов и n-контакта.

Физика твердого тела — Что такое «электронные дыры» в полупроводниках?

Понятие частицы в нерелятивистской квантовой механике очень общее: все, что может иметь волновую функцию, амплитуду вероятности нахождения в разных местах, является частицей.В металле электроны и связанные с ними облака упругой деформации решетки перемещаются как частицы. Эти эффективные электроноподобные отрицательные носители являются электронными квазичастицами, и эти квазичастицы имеют отрицательный заряд, что можно увидеть, измерив холловскую проводимость. Их скорость приводит к возникновению разности потенциалов поперек проволоки во внешнем магнитном поле, которое определяет знак носителей.

Но в полупроводнике объекты, несущие заряд, могут быть положительно заряжены, что является физически точным — ток в таком материале будет давать напряжение с эффектом Холла противоположного знака.2 $$

Где A — ширина запрещенной зоны, а B — эффективная масса (обратная удвоенной). Эта форма является общей, потому что электроны чуть выше зазора имеют минимальную энергию, а энергия возрастает квадратично от минимума. Эта квадратичная энергетическая зависимость такая же, как и для свободной нерелятивистской частицы, и поэтому движение квазичастиц описывается тем же уравнением Шредингера, что и свободная нерелятивистская частица, даже несмотря на то, что они представляют собой сложные туннельные возбуждения электронов, связанных со многими атомами. 2 $$

Так как ноль энергии определяется положением полосы, и по мере того, как вы меняете k, энергия понижается на до .Эти электроны имеют отрицательную нерелятивистскую эффективную массу, и их движение сумасшедшее — если вы приложите к этим электронам силу, они начнут двигаться в противоположном направлении! Но это глупо — эти электронные состояния полностью заняты, поэтому электроны вообще не двигаются в ответ на внешнюю силу, потому что все состояния заполнены, им некуда двигаться.

Итак, чтобы заставить эти электроны двигаться, вам нужно удалить некоторые из них, чтобы позволить электронам заполнить эти промежутки. Когда вы это сделаете, вы получите море дыр с волновым числом k.Важным моментом является то, что эти дырки, в отличие от электронов, имеют положительную массу и подчиняются обычному уравнению Шредингера для фермионов. Так вы получите эффективный положительно заряженный положительный эффективный носитель массы. Это дыры.

Вся эта ситуация вызвана общей формой зависимости энергии от k в вязкости максимума / минимума, обусловленной шириной запрещенной зоны.

Отверстия модели Бора

Вы можете увидеть своего рода электронную дырку уже в модели Бора, если рассмотрите закон Мозли, но эти дырки не являются физическими дырками полупроводника.Если вы выбиваете электрон из K-оболочки атома, у объекта, который у вас есть, будет отсутствующий электрон в состоянии 1s. Этот пропавший электрон продолжает вращаться вокруг ядра, и он довольно стабилен, поскольку для его распада требуется несколько оборотов.

Многоэлектронную систему с одним пропущенным электроном можно представить как одночастичную дырку, вращающуюся вокруг ядра. Эта одночастичная дырка имеет положительный заряд, поэтому она отталкивается ядром, но она имеет массу отрицательных , потому что мы не находимся вблизи запрещенной зоны, ее энергия как функция k является отрицательной величиной свободного электрона. энергия.

Эту дыру с отрицательной массой можно представить как вращающуюся вокруг ядра, удерживаемую на месте за счет отталкивания к ядру (помните, что отрицательная масса означает, что сила имеет направление, противоположное ускорению). Эта сумасшедшая система распадается по мере того, как дыра движется вниз по энергии, перемещаясь от ядра на более высокие орбиты Бора.

Этот тип описания дыр не встречается в литературе для закона Мозли, но это очень простое приближение, которое полезно, потому что оно дает модель эффекта с одной частицей.Очевидно, что это приближение неверно для маленьких атомов, но должно быть точным в пределе больших атомов. В законе Мозли есть необъяснимые закономерности, которые можно объяснить картиной с одной дыркой, хотя, опять же, эта «дыра» является дырой с отрицательной массой, в отличие от дырок в положительно легированном полупроводнике.

отверстие | физика твердого тела | Britannica

Отверстие , в физике конденсированных сред, название, данное отсутствующему электрону в некоторых твердых телах, особенно в полупроводниках.Отверстия влияют на электрические, оптические и термические свойства твердого тела. Наряду с электронами они играют решающую роль в современной цифровой технологии, когда они вводятся в полупроводники для производства электронных и оптических устройств.

Согласно зонной теории твердых тел, электроны в твердом теле имеют энергию только на определенных дискретных уровнях, которые объединяются в группы или зоны. Валентная зона содержит электроны, которые связаны в атомной структуре материала ( см. валентных электронов), тогда как зона проводимости содержит электроны с более высокими энергиями, которые могут свободно перемещаться.

При приложении тепловой энергии электрон может быть продвинут из валентной зоны через запрещенную область, называемую запрещенной зоной, в зону проводимости, которая оставляет после себя дырку. Поскольку отсутствующий электрон — это то же самое, что добавленный положительный электрический заряд, дырки могут переносить ток — как ток электронов, но в противоположном направлении — под действием электрического поля. Дырки, как правило, движутся медленнее, чем электроны, поскольку они функционируют в пределах сильно связанной валентной зоны, а не в зоне проводимости.

Обычные температуры недостаточно высоки, чтобы вывести много электронов в зону проводимости. Более значительные эффекты могут быть получены с помощью процесса, известного как легирование, при котором в материал добавляются примеси, известные как легирующие добавки. В кремнии, полупроводнике, используемом в компьютерных микросхемах, добавление небольшого количества мышьяка увеличивает количество электронов, потому что каждый атом мышьяка содержит на один электрон больше, чем атом кремния, который он заменяет. Такой материал называют материалом типа n из-за его избыточных отрицательных зарядов. P Кремний типа (для избыточных положительных зарядов) получается, если в качестве примеси используется бор, который содержит на один электрон меньше, чем атом кремния. Каждый добавленный атом бора создает недостаток одного электрона, то есть положительную дырку.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Важность наличия материалов типа p , а также материалов типа n заключается в том, что оба они необходимы для создания переходов p — n . Такие переходы необходимы для диодов и некоторых типов транзисторов, основных электронных устройств, из которых состоят компьютерные микросхемы и интегральные схемы в целом. P — n Переходы также используются для изготовления светодиодов (LED), которые представляют собой небольшие оптоэлектронные устройства, преобразующие электрическую энергию в свет.

Концентрация дырок — обзор

6.2.3 Диаграммы зон

Обычно проводящие электроны занимают состояния в зоне проводимости, близкие к самой низкой энергии в зоне проводимости, E _c , которая называется край зоны проводимости или дно зоны зоны проводимости. Дырки, занимающие состояния в валентной зоне, близки к максимальной энергии в валентной зоне, E _v . E _v называется краем валентной зоны или вершиной валентной зоны. Зависимости E _c и E _v в полупроводниковом приборе от положения называются полосными диаграммами . Диаграммы очень полезны для иллюстрации свойств и понимания поведения полупроводниковых материалов и устройств.В качестве примера на рис. 6.7 показана зонная диаграмма полупроводника в электрическом поле.

РИСУНОК 6.7. Зонная диаграмма полупроводника в электрическом поле

В электрическом поле F полосы наклонены, с наклоном — qF. Стрелки на рис. 6.7 представляют направления сил, действующих на электроны и дырки электрическим полем. (Поскольку электроны заряжены отрицательно, а дырки — положительно, они движутся в противоположных направлениях.)

В свободном пространстве энергия электрона равна:

(6.1) E = mev2 / 2,

, где m _e — масса свободного электрона, а v — скорость электрона. Согласно основам квантовой механики, электрон обладает как частицами, так и волнообразными свойствами, а его импульс, p = m _e v , может быть связан с его волновым вектором k :

(6.2) p = ℏk,

, где ħ = 1.055 × 10 ⁻³⁴ js — постоянная Планка. Следовательно, уравнение 6.1 можно переписать как:

(6.3) E = ℏ2k2 / 2me.

В полупроводниковых материалах зависимость E ( k ) более сложна (см. Рисунок 6.8). Вблизи самой нижней точки зоны проводимости зависимость энергии электрона от волнового вектора все еще может быть аппроксимирована параболической функцией, аналогичной функции электрона в свободном пространстве (см. Уравнение 6.3 и рисунок 6.8). Однако кривизна этой зависимости обычно сильно отличается от кривизны для электрона в свободном пространстве. Более того, разные кристаллографические направления не эквивалентны, и эта кривизна может зависеть от направления.Эти особенности могут быть учтены путем введения тензора обратной эффективной массы с компонентами, определяемыми следующим образом:

РИСУНОК 6.8. Качественные энергетические спектры электронов в свободном пространстве. Si и GaAs. Затененные состояния в валентных зонах заполнены валентными электронами. Рисунок адаптирован из Shur (1996).

(6.4) 1mi, j = 1ℏ2∂2En∂ki∂kj,

k _i и kj — проекции волнового вектора k . Когда E ( k ) зависит только от величины k , а не от направления k , этот тензор сводится к скалярной обратной эффективной массе, 1 / m _n . Так обстоит дело с GaAs, где зависимость энергии электронов от волнового вектора вблизи самой нижней точки зоны проводимости может быть аппроксимирована следующей функцией:

(6.5) En (k) = Ec + ℏ2k22mn.

В Si, однако, самая низкая точка минимума зоны проводимости достаточно анизотропна. В этом случае простейшее уравнение для E ( k ) получается выражением k через две составляющие: k _l и k _t , которое перпендикулярно k _l .Эти компоненты называются продольными и поперечными k соответственно. (При этом учитывается симметрия кристалла, которая делает все возможные направления k _t эквивалентными.) Теперь тензор обратной эффективной массы сводится к двум компонентам: 1/ m _l и 1/ m _t. , где м _l и м _t называются продольной эффективной массой и поперечной эффективной массой , соответственно.В этом случае уравнение для E ( k ) имеет вид:

(6,6) En (k) = Ec + ℏ22 (kl2ml + kt2mt).

Для Si: m _l ∼ 0.98 m _e и m _t ∼ 0.189 m _e , где m _e — масса свободного электрона, так что эти два действительно эффективные массы разные!

Для отверстий уравнение, подобное уравнению 6.5, записывается как:

(6.7) Ep (k) = Ev − ℏ2k22mp.

Уравнение 6.7 можно использовать для валентных зон в кубических полупроводниках. Здесь E _v — энергия, соответствующая вершине валентной зоны, а m _p называется эффективной массой дырки и .

Легирование

В чистом полупроводнике концентрация электронов в зоне проводимости и концентрация дырок в валентной зоне обычно очень малы по сравнению с количеством доступных энергетических состояний. Эти концентрации могут быть изменены на много порядков с помощью легирования , , что означает добавление к полупроводнику примесных атомов, которые могут «отдавать» электроны в зону проводимости (такие примеси называются донорами) или «принимать» электроны из валентной зоны, создавая дырки (такие примеси называются акцепторами).И доноры, и акцепторы называются легирующими добавками . У донорного атома больше электронов, доступных для связи с соседними атомами, чем требуется для атома в основном полупроводнике. Например, у атома кремния есть четыре электрона, доступных для связывания, и он образует четыре связи с четырьмя ближайшими атомами кремния. У атома фосфора есть пять электронов, доступных для связывания. Следовательно, когда атом фосфора заменяет атом кремния в кристалле кремния, он может связываться с четырьмя ближайшими соседями и «отдавать» один дополнительный электрон зоне проводимости.

У акцепторного атома меньше электронов, чем необходимо для химической связи с соседними атомами основного полупроводника. Например, у атома бора есть только три электрона, доступных для связи. Следовательно, когда атом бора заменяет атом кремния в кремнии, он «принимает» один недостающий электрон из валентной зоны, создавая дырку.

Полупроводник, легированный донорами, называется полупроводником типа n . Полупроводник, легированный акцепторами, называется полупроводником типа p .Часто, особенно при комнатной температуре или повышенных температурах, каждый донор в полупроводнике типа n поставляет один электрон в зону проводимости, и концентрация электронов n в зоне проводимости приблизительно равна концентрации донора N _д . Аналогичным образом, при комнатной температуре или повышенных температурах каждый акцептор создает одну дырку в валентной зоне, а концентрация дырок, p , в валентной зоне полупроводника типа p приблизительно равна концентрации акцептора , N _а . Если к полупроводнику добавляются и доноры, и акцепторы, они «компенсируют» друг друга, поскольку электроны, поступающие от доноров, занимают вакантные уровни в валентной зоне, создаваемой акцепторными атомами. В этом случае полупроводник называется компенсированным. В компенсированном полупроводнике наибольшая концентрация примеси «выигрывает»: если N _d > N _a , компенсированный полупроводник относится к типу n- с эффективной концентрацией доноров, N _deff = № _д — № _а ; если N _d a , компенсированный полупроводник имеет тип p с эффективной концентрацией акцепторов, N _aeff = N _a — N _d .