Носители заряда в полупроводниках.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

 

ПОЛУПРОВОДНИКИ

 

Виды и структура полупроводников.

К полупроводникам относятся вещества с удельной электропроводностью s в интервале 10^-10<s<10⁴См/см. Вещества с меньшей электропроводностью относят к диэлектрикам, с большей – к металлам. Эти границы условны, особенно между диэлектриками и полупроводниками. Главное различие между полупроводниками и металлами заключается в том, что у металлов удельное сопротивление возрастает с ростом температуры, а у полупроводников – падает.

К полупроводникам относится большая группа веществ, но в производстве приборов используются лишь немногие, главным образом, германий Ge, кремний Si, арсенид галлия GaAs и некоторые другие.

 

Структура полупроводников.

Кристаллическая решетка.

Применяемые в электронике полупроводники имеют, как правило, монокристаллическую структуру, т.е. во всем объеме вещества атомы размещены в узлах строго определенной единой кристаллической решетки. Кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера. В случае простейшей кубической решетки ребро элементарной ячейки – куба – является постоянной решетки.

В германии и кремнии атомы образуют кубическую решетку типа алмаза, где каждый атом связан с 4-мя ближайшими соседями ковалентной связью. Для наглядности эту решетку можно представить в виде плоской модели (рис.1.1а), где двойные черточки, связывающие атомы, отображают ковалентную химическую связь, образованную двумя электронами.

Дефекты решетки.

Структура кристалла никогда не бывает идеальной, всегда имеются дефекты решетки и дислокации (смещения плоскостей решетки).

Дефекты точечного типа могу иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки), совокупности пустого узла и междуузельного атома (дефект по Френкелю) или чужеродного атома – примеси. Любой реальный кристалл содержит примеси – либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке, либо полезные, которые вводятся специально для получения нужных свойств кристалла. Примеси могут располагаться либо между узлами решетки (

примесь внедрения), либо в самих узлах вместо основных атомов (примесь замещения).

Поверхность кристалла.

На поверхности кристалла часть ковалентных связей оказывается разорванной, что приводит к нарушению энергетического равновесия. Равновесие восстанавливается различными путями: может измениться расстояние между атомами в приповерхностном слое; может произойти захват – адсорбция – чужеродных атомов или молекул; может образоваться химическое соединение (например, окисел), не имеющее незаполненных связей на поверхности, и т. п. В любом случае

структура тонкого приповерхностного слоя (толщиной несколько нанометров) отличается от структуры основного объема кристалла и этот слой следует рассматривать как особую область кристалла.

 

Носители заряда в полупроводниках.

В полупроводниках существуют два вида носителей заряда – электроны и дырки. В структуре на рис.1а нет свободных носителей заряда – все электроны связаны с атомами и не могут перемещаться по кристаллу, вещество не проводит электрический ток, т.е. является диэлектриком. Но такое положение существует только при абсолютном нуле температуры. С ростом температуры возрастает энергия колебательных движений атомов, и некоторая часть электронов приобретает энергию, достаточную для отрыва от атома. Оторвавшийся электрон может свободно перемещаться по кристаллической решетке. В том месте, откуда выбит электрон, образуется некомпенсированный положительный заряд, равный заряду электрона. Это и есть дырка. Она также может свободно перемещаться по кристаллу за счет перескока валентного электрона с соседних атомов, в результате дырка оказывается у соседнего атома и далее этот процесс повторяется. В результате образуется электронно-дырочная пара, как показано на рис.1

б, где дырка обозначена мелким светлым кружком, электрон – темным. Этот процесс принято описывать как результат столкновения электрона с фононом. Фонон – квант энергии колебательных движений атомов кристаллической решетки. При столкновении фонон исчезает, его энергия передается электрону.

Процесс образования электронно-дырочных пар под действием теплового движения называется термогенерацией. Наряду с термогенерацией идет и обратный процесс – рекомбинация, — когда свободный электрон соединяется с дыркой и восстанавливается валентная связь, пара носителей исчезает.

Собственные и примесные полупроводники.

Собственный полупроводник – беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой. В собственном полупроводнике электроны и дырки всегда образуются парами и их концентрации и равны:

n_i=p_i

Здесь n и p — концентрация электронов и дырок соответственно, индексом “i” обозначают свойство, относящееся к собственному полупроводнику.

Примесные полупроводники содержат атомы посторонних элементов, встроенные в кристаллическую решетку. Примеси специально вводят в полупроводник для изменения его электрофизических свойств (этот процесс называется легированием). В примесных полупроводникахконцентрации электронов и дырок могут отличаться на много порядков.

Примеси бывают донорные, акцепторные и нейтральные.

Для четырех валентных элементарных полупроводников, таких как германий и кремний, донорными примесями являются атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор

P, мышьяк As, сурьма Sb, акцепторными – атомы трехвалентных элементов: бор B, индий In, галлий Ga, алюминий Al.

Встраиваясь в решетку, атомы пяти валентных элементов образуют четыре связи с ближайшими соседями, пятый электрон оказывается лишним. Он не участвует в образовании химической связи и слабо связан с атомом примеси, легко отрывается от него и становится свободным. Например, P®P⁺+e^— В узле решетки остается положительно заряженный ион примеси. Он жестко закреплен в решетке и не может перемещаться по кристаллу. В полупроводнике с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Его называют полупроводником с электронной проводимостью или полупроводником

n-типа.

При введении трех валентного атома у него не хватает одного электрона для образования четырех связей. Недостающий электрон может быть захвачен у соседнего атома, у которого образуется дырка. Атом примеси превращается в отрицательный ион, например, In®In^—+h⁺(h⁺ —дырка). В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки и его называют полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником

p-типа.

Нейтральные примеси не изменяют концентрацию носителей заряда.

 

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Основные и неосновные носители заряда в полупроводниках

В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника. Те носители, концентрация которых выше, называют основными носителями заряда, а носители другого типа — неосновными.

Если концентрация электронов значительно превосходит концентрацию дырок, то такой полупроводник называют полупроводником

n-типа проводимости. В этом случае основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями — дырки.

Соответственно, если концентрация дырок выше, чем электронов, то полупроводник называют полупроводником p-типа. В нем основными носителями являются дырки, а неосновными носителями — электроны.

Вопрос

Донорные примеси — атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию электронов.Донорными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с меньшей, чем у примеси, валентностью.

Акцепторные примеси — атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию дырок.Акцепторными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с большей, чем у примеси, валентностью.

 

Влияние примесей на носители заряда:

Вывод: донорные примеси отдают лишние валентные электроны, образуя полупроводник н- типа, а акцепторные примеси создают дырки, образуя полупроводник р-типа.

Вопрос

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор

с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

p-n-Перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двухполупроводниковp- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

 

Вопрос

Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

Выходные параметры выпрямителя:

1. номинальное среднее выпрямленное напряжение U0;
2. номинальный средний выпрямленный ток I0;
3. коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Kп01;
4. частота пульсаций выпрямленного напряжения Fп;
5. внутреннее сопротивление выпрямителя R0;

Коэффициентом пульсации Kп01 называется отношение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения U01 к среднему значению выпрямленного напряжения U0.

 

Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя. Графики, поясняющие его работу при синусоидальном входном напряжении Uвх=Uвх maxsin(ωt)

Вопрос

Очевидно, что параметры выпрямителя можно улучшить, если обеспечить протекание тока нагрузки в оба полупериода действия входного напряжения. Этого можно добиться, используя две схемы однополупериодного выпрямления, работающие синхронно и противофазно на единую нагрузку. Такое включение, однако, потребует наличия двух источников первичного напряжения, имеющих общую точку: Uвх1=Uвх maxsin(ωt), Uвх2=Uвх maxsin(ωt+π). Описанная схема называется однофазной двухполупериодной схемой выпрямления со средней точкой

Существенным недостатком схемы двухполупериодного выпрямления со средней точкой является потребность в двух источниках входного напряжения. Такая потребность обусловлена тем, что один из выводов сопротивления нагрузки периодически переключается между двумя источниками напряжения, а другой вывод постоянно подключен к средней точке этих источников.

Вопрос

 

необходимость в средней точке отпадет, если и второй вывод нагрузки при помощи второй аналогичной диодной схемы будет синхронно и противофазно подключаться к неиспользуемым на соответствующем интервале времени выводам источников питания. Схемотехническая реализация такого метода представлена на рис. 3.4‑9. Эта схема носит название однофазного мостового выпрямителя и является, вероятно, самой распространенной из всех схем выпрямления, предназначенных для работы с однофазными источниками переменных напряжений.

 

Вопрос

Сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. Простейшим сглаживающим фильтром являетсяэлектролитический конденсатор большой ёмкости, установленный на схеме параллельно нагрузке, соблюдая полярность конденсатора. Нередко устанавливается параллельно электролитическому конденсатору плёночный (или керамический) для переменного тока ёмкостью 0,01 микрофарады, для устранения помех сети 220.

Сглаживающие фильтры питания предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Принцип работы простой – во время действия полуволны напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника – диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время отсутствия, либо малого по амплитуде напряжения.

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Основные и неосновные носители заряда в полупроводниках. — Студопедия.Нет

В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника.
Если значительно преобладают электроны, то такой полупроводник называется полупроводником n-типа. Электроны, в этом случае, называются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.
Соответственно, если преобладают дырки, то полупроводник является полупроводником p-типа, дырки — основными носителями, а электроны неосновными.

Если положительный потенциал приложен к p-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p — n-переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p- и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.

Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p—n-переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей).

Сколько атомов содержится в гранецентрированной кубической элементарной ячейке?

В этой ячейке имеются узлы двух типов: А (находящиеся в вершинах куба) и В (находящиеся на гранях куба в точке пересечения диагоналей).

Узел А принадлежит одновременно восьми элементарным ячейкам. Следовательно, в данную ячейку узел А входит с долей 1/8. Узел В входит одновременно только в две ячейки и, следовательно, в данную ячейку узел В входит с долей 1/2. Если учесть, что число узлов типа А в ячейке равно восьми, а число узлов типа В равно шести, т. е. числу граней, то общее число узлов, приходящихся на одну элементарную ячейку в гранецентрированной решетке,

n = (1/8)*8 + (1/2)*6 = 1 + 3 = 4 узла.

Так как число узлов равно числу атомов, то в соответствующей структуре на элементарную ячейку приходится четыре атома.

Билет 19

Электропроводность и закон Ома.

Cила тока, текущего по однородному участку цепи, пропорциональна падению напряжения на этом участке: I ~ U или , где проводимость проводника.

Величина, обратная проводимости – сопротивление проводника R:

(20)

Сопротивление зависит от формы, размеров и свойств материала, из которого он изготовлен.

(21)

Где удельное сопротивление; l – длина проводника; S – площадь его поперечного сечения.

Удельная электрическая проводимость(электропроводность)проводника — величина обратная его удельному сопротивлению:

(22)

 

Зависимость удельного сопротивления проводника от термодинамической температуры носит линейный характер. При низких температурах наблюдается отступление от линейной зависимости. Рис а) иллюстрирует эту зависимость для идеально чистых металлов, а рис б) – для реальных металлов. У реальных металлов при температуре Т=0^о наблюдается остаточное сопротивление, зависящее от чистоты материала и наличия механических напряжений в образце.

Сверхпроводимость – явление, заключающееся в том, что вблизи температуры абсолютного нуля сопротивление проводника при некоторой характерной для данного вещества температуре скачкообразно уменьшается до нуля рис . При Т = Т_к , и = ∞ .

 

 

Например, при температуре Т=1,14 К алюминий переходит в сверхпроводящее состояние, для урана Т= 1,3 К, а для ртути — Т = 4,12 К. Явление сверхпроводимости используется для получения сильного магнитного поля в приборостроении, ЭВМ и т.д.

Основные носители заряда полупроводника — это… Что такое Основные носители заряда полупроводника?



Основные носители заряда полупроводника

15. Основные носители заряда полупроводника

Основные носители

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.

• основные несущие компоненты
• основные образцы

Смотреть что такое «Основные носители заряда полупроводника» в других словарях:

• основные носители заряда полупроводника — основные носители Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает. [ГОСТ 22622 77] Тематики материалы полупроводниковые Синонимы основные носители …   Справочник технического переводчика

• Основные — 1.    Основные положения системы сельской телефонной связи. М., ЦНИИС, 1974. 145 с. Источник: Руководство: Руководство по проектированию сети электросвязи в сельской местности 16. Основные положения по учету труда и заработной платы в… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• ГОСТ 22622-77: Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров — Терминология ГОСТ 22622 77: Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров оригинал документа: 11. Акцептор Дефект решетки, способный при возбуждении захватывать электрон из валентной зоны Определения… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• полупроводники — ов; мн. (ед. полупроводник, а; м.). Физ. Вещества, которые по электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Свойства полупроводников. Производство полупроводников. // Электрические приборы и устройства,… …   Энциклопедический словарь

• Полевой транзистор — Полевой транзистор (англ. field effect transistor, FET) полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание в полевом транзисторе… …   Википедия

• Униполярный транзистор — Полевой транзистор полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда… …   Википедия

• Фотоэдс —         электродвижущая сила, возникающая в полупроводнике (См. Полупроводники) при поглощении в нём электромагнитного излучения (фотонов). Появление Ф. (фотовольтаический эффект) обусловлено пространственным разделением генерируемых излучением… …   Большая советская энциклопедия

• Словарь терминов физики полупроводников — Эта страница глоссарий …   Википедия

• Полупроводник n-типа — Схематическое изображение кремния с донорной примесью фосфора Полупроводники n типа полупроводник, в котором основные носители заряда электроны проводимости. Для того, чтобы по …   Википедия

• ДЫРОЧНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ — (проводимость р типа) проводимость (см.), в котором основные носители заряда (см.). Д. п. осуществляется, когда концентрация (см.) превышает концентрацию (см.) …   Большая политехническая энциклопедия

2.3. Свободные носители зарядов в полупроводниках

Изображенная на рис. 2.3 структура соответствует «гипотетическому» случаю для очень чистого полупроводникового монокристалла при очень низкой температуре. С повышением температуры происходит разрыв электронных связей (рис. 2.5), и часть электронов становится свободной, т. е. электронами проводимости. Такой же процесс происходит в полупроводниковых и под действием света. Разрыв электронных связей сопровождается не только появлением свободных электронов, но и образованием «дырок» — вакансий, т. е. пустых мест в атомах, которые покинул электрон.

«Дырка» — понятие, введенное в квантовой теории твердого тела. Дырка ведет себя подобно частице с элементарным положительным зарядом, равным заряду электрона, и массой, близкой к массе электрона.

Рис. 2.5.

Дырка, появившись одновременно со свободным электроном, перемещается в течение некоторого времени, называемого временем жизни, в кристалле замещением вакансий соседними электронами связи, а затем рекомбинирует с одним из свободных электронов (электроном проводимости).

В абсолютно чистом, так называемом «собственном» полупроводнике, электроны и дырки под действием тепла и света всегда образуются парами, т.е. в равном количестве. Число их в стационарном режиме определяется равновесием между процессами генерации и рекомбинации свободных носителей заряда (электронов и дырок). Генерация носителей — образование пар, рекомбинация— их исчезновение. Процессы генерации и рекомбинации идут непрерывно, их скорости равны. Электропроводность полупроводника, обусловленная парными носителями теплового происхождения, называется собственной.

Полупроводник, у которого n=p, называется собственным полупроводником или полупроводником с собственной проводимостью Концентрации электронов ni и дырок pi в собственном полупроводнике одинаковы (ni=pi) и зависят только от температуры, заметно возрастая с ее повышением (Индекс i здесь и далее относится к «собственным» полупроводникам, i — от английского слова intrinsic — настоящий).

Собственных полупроводников (идеальных кристаллов бесконечной протяженности) в природе не существует. Реальные кристаллы имеют конечные размеры, дефекты и примеси. И если в справочниках иногда приводят параметры «собственного» полупроводникового материала, то это означает лишь, что имеется в виду полупроводник, у которого концентрации примесей и дефектов ниже определенной величины.

Главную роль в полупроводниковой электронике играют примесные полупроводники, в которых концентрации электронов и дырок значительно различаются.

Любые примеси в полупроводниках приводят к существенному изменению их свойств. В частности, изменяется электропроводность полупроводника. В этом случае она называется примесной электропроводностью. Можно контролировать количество и тип вводимой примеси и, следовательно, электропроводность полупроводникового материала.

Различают примеси донорные («отдающие» электроны) и акцепторные («принимающие» электроны, образующие дырки в атомах полупроводника).

В качестве донорных примесей используются элементы V группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева: фосфор, мышьяк, сурьма и др. В качестве акцепторных — элементы III группы: бор, алюминий, галлий, индий и др. На рис. 2.1 стрелками показаны примеси для Ge и Si, наиболее широко используемые в промышленности.

Если ввести в кремний атом пятивалентного фосфора, то четыре из его пяти валентных электронов образуют с четырьмя электронами соседних атомов кремния парноэлектронные или ковалентные связи. Пятый электрон оказывается слабо связан с ядром и при самых незначительных тепловых колебаниях решетки становится свободным, т. е. электроном проводимости. Атом примеси при этом превращается в положительный ион с единичным зарядом. Атом, отдающий электрон, называется донором, а примесь —донорной. Образовавшиеся свободные электроны добавляются к «собственным» свободным электронам термогенерации и увеличивают проводимость кристалла. Концентрация «примесных» электронов, поскольку они слабее связаны с ядром, будет значительно превышать концентрацию «собственных» электронов, а следовательно, и дырок. Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками с электронной проводимостью или полупроводниками типа n (n — от negative — отрицательный). В полупроводнике типа n ток электронов значительно превышает ток дырок.

В примесном полупроводнике один тип подвижных носителей заряда преобладает над другим, поэтому принято те носители, которые составляют большинство, называть основными, а те, которых меньшинство, — неосновными.

Таким образом, основными носителями заряда в электронном полупроводнике являются электроны, а неосновными — дырки, и, следовательно, в полупроводнике n-типа концентрация электронов значительно больше концентрации дырок Nn > Pn, но Nn*Pn = ni²

Если в кремний ввести атом трехвалентного бора, то для валентной связи бора с четырьмя ближайшими атомами кремния необходимо четыре валентных электрона, а на его верхней валентной оболочке их лишь три. Недостающий электрон отбирается из основной решетки и тогда атом бора превращается в отрицательный ион. А на месте покинувшего атом кремния электрона образуется дырка. Атом, принимающий электрон, называется акцептором, а примесь — акцепторной. Полупроводники с акцепторной примесью называются полупроводниками с дыроч­ной проводимостью или полупроводниками типа р (р — от positive — положительный). В полупроводнике типа р дырочная электропроводность значительно превосходит электронную.

Основными носителями заряда в дырочном полупроводнике являются дырки, а неосновными — электроны, и, следовательно, в полупроводнике p-типа концентрация дырок значительно больше концентрации электронов, Pp >Np, но всегда Np*Pp = Pi².

Если в полупроводник n-типа ввести акцепторную примесь концентрации равной концентрации носителей n-типа, то такой полупроводник называется компенсированным.

Полупроводник, у которого число носителей не менее 10²⁰ на 1см3, называется вырожденным полупроводником.