Какой тип проводимости преобладает в полупроводниковых материалах с акцепторными примесями: Какой тип проводимости преобладает в полупроводниковых материалах с донорными примесями? — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Каким типом проводимости обладают полупроводники n типа?

По виду проводимости полупроводники подразделяют на n—тип и р-тип. Полупроводник n—типа имеет примесную природу и проводит электрический ток подобно металлам. Примесные элементы, которые добавляют в полупроводники для получения полупроводников n—типа, называются донорными.

Какие полупроводники называются электронными или N типа?

Полупроводники с донорной примесью называют электронными (донорными) или полупроводниками n—типа (negative — отрицательный). Электроны в полупроводниках n — типа служат как основные носители заряда, дырки — неосновными.

Как получить полупроводник n типа?

Для того чтобы получить полупроводник n—типа, собственный полупроводник легируют донорами. Обычно это атомы, которые имеют на валентной оболочке на один электрон больше, чем у атомов полупроводника, который легируется. … При высокой концентрации доноров полупроводник становится вырожденным.

Почему примеси уменьшают сопротивление полупроводников?

добавление примеси повышает концентрацию носителей зарядов ( электроны при донорной примеси и дырки при акцепторной), тем увеличивая проводимость и уменьшая сопротивление.

Каким типом проводимости обладают чистые полупроводники?

Каким типом проводимости обладают чистые полупроводники? Верный ответ : 1. Электронной и дырочной.

Каким типом проводимости обладает полупроводник с акцепторной примесью?

Примесная проводимость полупроводников — электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорных или акцепторных примесей.

Каким типом проводимости обладает полупроводник не содержащий примесей?

Проводимость полупроводниковых материалов без примесей Проводимостью какого типа обладают полупроводниковые материалы без примесей? В основном дырочной.

Какой тип проводимости преобладает в полупроводниках с примесями?

Донорная примесь — это примесь с большей, чем у кристалла, валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуются дополнительные свободные электроны. Именно поэтому примесь называется донорной. Преобладает электронная проводимость, а полупроводник называют полупроводником n-типа.

Какие полупроводники называются примесными?

Примесный полупроводник — это полупроводник, электрофизические свойства которого определяются, в основном, примесями других химических элементов. Процесс введения примесей в полупроводник называется легированием полупроводника, а сами примеси называют легирующими.

Как возникает примесная электронная проводимость?

Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными (отдающими, дарящими) примесями. При наличии электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нем возникает электронная примесная проводимость.

В чем разница между донорной и акцепторной примесями?

Основное различие между Донорными и Акцепторными примесями заключается в том, что элементы в группе V периодической таблицы элементов обычно действуют как Донорные примеси (отдающие), тогда как элементы в группе III обычно действуют как Акцепторные примеси (принимающие).

Какую примесь называют Донорной?

— примесь в полупроводнике, ионизация к-рой приводит к переходу электрона в зону проводимости или на уровень акцепторной примеси. Типичный пример Д. — примеси элементов V группы (Р, As, Sb, Bi) в элементарных полупроводниках IV группы — Ge и Si. …

Какие примеси в стали отрицательно сказываются на качестве сплава?

Отрицательно сказываются на качестве стали и такие газы, как кислород, азот и водород. Кислород: уменьшает вязкость и пластичность стали. Азот: Имеет аналогичное действие. Водород: вызывает хрупкость стали.

Каким типом проводимости обладают полупроводниковые материалы с акцепторными примесями?

спросил от Вопросы и ответы в категории Естественные науки

Ваш ответ

Отображаемое имя (по желанию):

Отправить мне письмо на это адрес если мой ответ выбран или прокомментирован:Отправить мне письмо если мой ответ выбран или прокомментирован

Конфиденциальность: Ваш электронный адрес будет использоваться только для отправки уведомлений.

Анти-спам проверка:

Чтобы избежать проверки в будущем, пожалуйста войдите или зарегистрируйтесь.

Внешние полупроводники — Инженерные тексты LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 360

Полупроводники — это материалы, обладающие уникальной способностью контролировать поток своих носителей заряда, что делает их ценными в таких приложениях, как сотовые телефоны, компьютеры и телевизоры.

Внешний полупроводник — это материал, в кристаллическую решетку которого введены примеси. Целью этих примесей является изменение электрических свойств материала, в частности (повышение) его проводимости. Сегодня внешние полупроводники являются частью инновационных современных технологических устройств (включая эффективное твердотельное освещение и возобновляемые источники энергии), таких как светоизлучающие диоды, солнечные элементы, лазеры и транзисторы.

Введение

Внешние полупроводники — это просто собственные полупроводники, легированные примесными атомами (в данном случае одномерными дефектами замещения). Легирование — это процесс, при котором полупроводники увеличивают свою электропроводность за счет введения атомов различных элементов в свою решетку. Легирование полупроводника может осуществляться методом газофазной эпитаксии, при котором некоторая концентрация примесей в их газовой фазе контактирует с полупроводниковой пластиной, либо путем выращивания на самой пластине с помощью фотолитографии (микрообработки участков пластины), диффузии ( градиентное контролируемое движение частиц) и ионная имплантация (с использованием электрического поля для контакта иона с твердым телом) для увеличения концентрации легирующей примеси в определенных частях пластины. В зависимости от того, являются ли добавленные примеси донорами или акцепторами электронов, уровень Ферми полупроводника (энергетическое состояние, ниже которого все допустимые энергетические состояния заполнены, а выше которого все состояния пусты, когда температура приближается к 0 Кельвина) может перемещаться вверх или вниз. от своего исходного положения в центре запрещенной зоны (зазор между валентной зоной и зоной проводимости полупроводника).

Если полупроводниковый материал легирован атомами, которые могут отдавать электроны, он известен как полупроводник n-типа, который использует эти отданные электроны для увеличения своей проводимости. Если он легирован атомами, которые могут принимать электроны, он известен как полупроводник p-типа, который использует отсутствие электронов в решетке, называемых дырками (также можно рассматривать как положительные заряды), для увеличения его проводимости. . Помимо зависимости от концентрации примесей, полупроводники как n-типа, так и p-типа зависят от изменений температуры, особенно их электропроводности, подвижности носителей (насколько свободно может двигаться носитель заряда) и даже уровней Ферми. Подвижности основаны на двух различных эффектах рассеяния, зависящих от температуры, называемых рассеянием на решетке и рассеянием на ионизированных примесях. Решеточное рассеяние, преобладающее при более высоких температурах, основано на тепловых колебаниях атомов полупроводника, которые действуют как препятствия для подвижных носителей заряда. Рассеяние на ионизированных примесях, преобладающее при более низких температурах, зависит от количества ионов легирующей примеси, которые все ведут себя как рассеивающие центры, и их способности препятствовать перемещению носителей заряда на разные энергетические уровни из-за электростатического притяжения между ионом и носителем, известного как кулоновское притяжение. Закон, описанный как 92 \label{2}\]

, где n — концентрация электронов, p — концентрация дырок и \(n_i\) — концентрация собственных носителей заряда (концентрация, если бы полупроводник не был легирован).

Полупроводники N-типа

Полупроводники n-типа — это полупроводники, в кристаллическую решетку которых осаждены донорные примеси. Здесь электроны называются основными носителями, а дырки — неосновными носителями. Одним из наиболее распространенных примеров этого является кремний или германий из группы IV в периодической таблице, легированные атомами фосфора или мышьяка (из группы V), каждый из которых имеет один дополнительный валентный электрон на атом. Атом легирующей примеси может войти в решетку, заменить один атом Si, будучи связанным с четырьмя другими (ковалентная связь), и высвободить свой лишний, слабо связанный валентный электрон в решетку Si. 9-19 кулонов), \(\mu_n\) и \(\mu_p\) — подвижности электронов и дырок соответственно, а n(T) и p(T) — концентрации электронов в зоне проводимости или дырки в валентной зоне. Как подвижность, так и две концентрационные переменные зависят от температуры, однако на данный момент считаем температуру постоянной около комнатной температуры. Для всех практических целей в полупроводнике n-типа при комнатной температуре член проводимости от концентрации дырок пренебрежимо мал, потому что обычно \(N_D\) >> \(n_i\), где \(N_D\) — концентрация донорных примесей , все электроны которого находятся в зоне проводимости при 300 К, а \(n_i\) — собственная концентрация носителей полупроводника. 2}{N_D}\), что позволяет пренебречь ею.

После введения в полупроводник донорные примеси способны образовывать донорный уровень в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости, где раньше не было существующих состояний, потому что теперь это энергетически выгодно. Это означает, что отданным электронам потребуется гораздо меньшее увеличение энергии для возбуждения в зону проводимости, где свободно текущие электроны могут увеличить проводимость. Следовательно, по мере увеличения легирования увеличивается и проводимость полупроводника n-типа (больше донорных состояний означает больше отданных свободных электронов, которые могут быть переведены в зону проводимости).

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Подробная схема полупроводника n-типа при температуре 300 K.

Рисунок \(\PageIndex{1}\) показывает поведение легированного донором полупроводника при комнатной температуре. Ec представляет собой зону проводимости, Ev представляет собой валентную зону, \(E_D\) показывает донорный уровень (содержащий неподвижные донорные ионы), а \(E_F\) представляет собой уровень Ферми. Черные кружки — это электроны, а белые квадраты — пустые, неподвижные донорные состояния (поскольку все донорные электроны могут продвигаться в зону проводимости при комнатной температуре), которые не влияют на проводимость. Электроны ниже Ev показаны только для того, чтобы указать, что в валентной зоне все еще есть много собственных носителей, которые еще не переведены в зону проводимости (хотя до сих пор минимальное количество собственных носителей было переведено из валентной зоны) . В валентной зоне имеется минимальная концентрация дырок, но она не показана на рисунке 1, в основном для того, чтобы проиллюстрировать большее значение электронов в полупроводниках n-типа. Учитывая, что уровень Ферми определяется как состояния, ниже которых все допустимые энергетические состояния заполнены, а все состояния выше пусты при температуре, приближающейся к 0 Кельвина, имеет смысл, что \(E_F\) будет увеличиваться от середины запрещенной зоны внутреннее положение из-за донорного уровня вблизи зоны проводимости (заполненные состояния — это те, которые заняты электронами). Другой способ думать об этом состоит в том, что большая часть плотности энергетических состояний должна содержаться под уровнем Ферми (при 0 Кельвина уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны, но донорные примеси еще не рассматриваются как энергетические состояния. , поскольку всякое движение прекращается). Глядя на уравнение для уровня Ферми (сейчас игнорируя зависимость от температуры, поскольку она постоянна), мы подтверждаем это, так как \[E_F = kTln(\dfrac{N_D}{n_i}) — E_i\]. где \(E_i\) — уровень энергии в середине запрещенной зоны. При прочих равных условиях увеличение концентрации доноров увеличивает уровень Ферми, а это означает, что электронам легче достичь зоны проводимости. 9-34 Дж*сек).

Полупроводники p-типа

Полупроводники p-типа — это полупроводники, в кристаллическую решетку которых вложены акцепторные примеси. Здесь дырки называются основными носителями, а электроны — неосновными носителями. Одним из наиболее распространенных примеров этого является кремний или германий из группы IV в периодической таблице, легированные атомами бора или галлия (из группы III), оба из которых имеют на один валентный электрон меньше на атом. Атом легирующей примеси способен войти в решетку, заменить один атом Si, будучи связанным с четырьмя другими, и принять электрон от соседнего атома в свою ковалентную связь. Вот как отсутствие электрона или дырки перемещается через валентную зону материала, делая его проводящим (один и тот же процесс замены дырки электроном, перемещение дырки в другое место в решетке продолжает повторяться).

Как упоминалось ранее, основной причиной введения примесей в полупроводниковую пластину является увеличение ее проводимости, которая составляет

\[\sigma = q\mu_n n(T) + q\mu_p p(T) \label{3 }\]

, где q — заряд электрона, \(\mu_n\) и \(\mu_p\) — подвижности электрона и дырки соответственно, а n(T) и p(T) — концентрации электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне. Как подвижность, так и две концентрационные переменные зависят от температуры, однако на данный момент считаем температуру постоянной около комнатной температуры. 2}{N_A}\), что позволяет ей пренебречь.

После введения в полупроводник акцепторные примеси способны образовывать акцепторный уровень в запрещенной зоне вблизи валентной зоны, где раньше не было существующих состояний, потому что теперь это энергетически выгодно. Это означает, что электроны в валентной зоне могут быть возбуждены на этот акцепторный уровень в запрещенной зоне (в отличие от зоны проводимости) для завершения ковалентной связи. Этот процесс оставляет после себя свободные дырки, которые могут распространяться через валентную зону, где они могут увеличить проводимость. Следовательно, по мере увеличения легирования увеличивается и проводимость полупроводника p-типа (чем больше акцепторных состояний, тем больше свободных дырок, способных проникать через валентную зону).

Рис. 2. Детальная диаграмма полупроводника p-типа при 300 K.

На рис. 2 показано поведение полупроводника, легированного акцептором, при комнатной температуре. Ec представляет собой зону проводимости, Ev представляет собой валентную зону, \(E_A\) показывает акцепторный уровень (содержащий неподвижные акцепторные ионы), а \(E_F\) представляет собой уровень Ферми. Черные кружки — это электроны, а черные квадраты — пустые (богатые электронами, но лишенные дырок), неподвижные акцепторные состояния (поскольку все дырки акцепторных ионов способны проникать через валентную зону при комнатной температуре), которые не влияют на проводимость. . Белые кружки — это дырки, образовавшиеся из-за того, что акцепторным примесям требуются электроны для завершения их ковалентной связи. На картинке в валентной зоне больше дырок, чем электронов, потому что дырки являются основными носителями. Электроны выше Ev показаны только для того, чтобы указать, что существуют носители, которые существуют в зоне проводимости, которые были повышены из валентной зоны (хотя минимальное количество было повышено из валентной зоны). Учитывая, что уровень Ферми определяется как состояния, ниже которых все допустимые энергетические состояния заполнены, а все состояния выше пусты при температуре, приближающейся к 0 Кельвина, имеет смысл, что \(E_F\) будет уменьшаться от середины запрещенной зоны внутреннее положение из-за акцепторного уровня вблизи валентной зоны («заполненные» состояния заняты электронами). Другой способ думать об этом состоит в том, что большая часть плотности энергетических состояний должна содержаться под уровнем Ферми (при 0 Кельвина уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны, а акцепторные легирующие примеси в любом случае не рассматриваются как энергетические состояния. поскольку все движение прекращается и пока нет мобильных электронов, есть только дырки) Сдвиг вниз уровня Ферми подчеркивает тот факт, что полупроводники p-типа подчеркивают проводимость дырок в валентной зоне, а не проводимость электронов в зоне проводимости, что означает, что количество электронов выше \(E_F\) минимально. Глядя на уравнение для уровня Ферми (сейчас игнорируя температурную зависимость, поскольку она постоянна), мы подтверждаем это, поскольку

\[E_F = -kT\ ln \left(\dfrac{N_D}{n_i} \right) + E_i. \label{4}\]

где \(E_i\) — это уровень энергии в середине запрещенной зоны. При прочих равных условиях увеличение концентрации акцепторов снижает уровень Ферми, а это означает, что дыркам легче достичь валентной зоны.

С этого момента самым важным расчетом (кроме проводимости), который может привести к созданию инновационных универсальных устройств, является определение концентрации дырок в валентной зоне. При комнатной температуре эта концентрация просто \(N_A\), но в целом она равна 9*\) — эффективная масса дырки, ч — постоянная Планка.

Температурная зависимость

Прежде чем исследовать температурную зависимость электропроводности, подвижности носителей (с рассеянием на решетке и на ионизированных примесях) и уровней Ферми, необходимо рассмотреть зависимость рассеяния на ионизированных примесях от легирования.

Как правило, рассеяние снижает подвижность электронов носителей заряда, действуя как препятствия. Другими словами, носители заряда не могут легко течь по всему материалу. Рассеяние на ионизированных примесях происходит, когда в решетке присутствует много донорных или акцепторных примесей. По мере увеличения легирования каждый добавленный донорный или акцепторный уровень можно рассматривать как дополнительный «рассеивающий центр», добавленный к решетке, еще одно препятствие, которое может препятствовать движению носителей заряда. Этот тип рассеяния не зависит от каких-либо тепловых колебаний, а скорее использует тот факт, что у носителей недостаточно энергии для перехода на какие-либо другие энергетические уровни. Это означает, что для полупроводников n-типа ионизированные атомы-доноры, положительные ионы, способны вызывать электростатическое притяжение с отданными электронами, в то время как в полупроводниках p-типа ионизированные атомы-акцепторы (отрицательные ионы) вызывают электростатическое притяжение с дырками. создается в решетке. Барьеры Carrier Energy не являются проблемой, когда тепловая энергия является основным фактором. Это означает, что как для проводников n-, так и для p-типа рассеяние на ионизированных примесях преобладает при более низких температурах, и его эффекты постепенно уменьшаются с повышением температуры.

Рисунок 3 : . Температурная зависимость концентрации основных носителей в полупроводнике.

На рис. 3 четко показаны фазы, через которые проходят основные носители примесных полупроводников при нагреве при неизменном количестве примесей. Для полупроводника n-типа начало области замораживания представляет собой область, где донорные ионы расположены на донорном уровне, но свободные электроны не могут двигаться из-за температуры 0 Кельвина. По мере повышения температуры в синем режиме некоторые из донорных электронов возбуждаются в зону проводимости, в то время как другие все еще задерживаются из-за рассеяния на ионизированных примесях, что снижает общую подвижность электронов. По мере того, как температура начинает увеличиваться в направлении внешней области, эффект рассеяния на ионизированных примесях медленно исчезает, увеличивая подвижность электронов, и количество электронов, продвигаемых с донорного уровня в зону проводимости, увеличивается еще больше. В этот момент минимальное количество собственных электронов продвигается из валентной зоны (однако это все еще считается незначительным эффектом). Поскольку проводимость напрямую зависит от подвижности электронов и концентрации электронов в зоне проводимости, которая увеличивается с ростом температуры по уравнению в конце раздела N-Type Semiconductor, проводимость также увеличивается. В зеленом режиме все электроны донорного уровня возбуждаются в зону проводимости, и ни один из эффектов рассеяния не проявляется, что означает, что проводимость увеличивается еще больше. Между тем, еще несколько собственных электронов из валентной зоны продвигаются в зону проводимости, но это все еще незначительно по сравнению с концентрацией донорских электронов, уже находящихся в или выше \(E_V\). По мере того, как температура переходит во внутреннюю область, собственные электроны из валентной зоны возбуждаются в зону проводимости с большей скоростью (оставляя после себя эквивалентное количество дырок в валентной зоне), и проводимость продолжает увеличиваться. Однако в этом случае активируется механизм рассеяния на решетке. Это означает, что атомы полупроводников в решетке испытывают тепловые колебания, которые действуют как препятствия для движущихся электронов, вызывая уменьшение подвижности (поскольку концентрация электронов более важна, проводимость все равно увеличивается, даже когда подвижность начинает уменьшаться). В красном режиме электроны из валентной зоны продвигаются в зону проводимости и создают дырки в валентной зоне. По мере того как это продолжается, полупроводник n-типа по существу становится собственным полупроводником со всеми собственными электронами в зоне проводимости и эквивалентным количеством дырок, оставшихся в валентной зоне. Рассеяние на решетке максимально из-за тепловых колебаний, а это означает, что подвижность электронов еще больше снижается. Однако проводимость максимальна, потому что, хотя электронам труднее двигаться через материал, их гораздо больше при более высоких температурах.

Во всем этом процессе наиболее сложной для понимания концепцией является уровень Ферми, который лучше всего описывается словами, а не уравнениями для изменения температуры. В начальной синей области уровень Ферми все еще находится в середине запрещенной зоны, потому что все движения останавливаются и нет плотности состояний, которые даже существуют. Через синюю область к точке, где материал ведет себя как полупроводник n-типа, уровень Ферми перемещается вверх к точке, где под ним находится большинство состояний (уровень Ферми между зоной проводимости и уровнем донора). Однако по мере того, как больше собственных электронов начинает добавлять к проводимости в красном режиме рисунка, уровень Ферми начинает двигаться вниз ближе к середине запрещенной зоны, напоминая собственный полупроводник.

Для полупроводников р-типа тенденции проводимости и подвижности соответствуют тенденциям для полупроводников n-типа согласно рисунку 3. По мере повышения температуры эффекты рассеяния ионизированными примесями уменьшаются (увеличивается подвижность), потому что дырки получают достаточную энергию, чтобы двигаться к валентной зоне и электроны из валентной зоны занимают акцепторные состояния для завершения ковалентных связей, что увеличивает проводимость дырок. Подвижность дырок еще больше возрастает во внешней области, потому что рассеяние на ионизованных примесях исчезает, а рассеяние на решетке еще не активировано. При этом все акцепторные состояния лишены дырок, а значит, проводимость по всей валентной зоне еще больше возрастает. В этот момент есть несколько собственных электронов (все еще незначительный эффект), которые возбуждаются в зону проводимости. По мере того, как температура увеличивается в собственной области, больше собственных электронов продвигается в зону проводимости, но снова активируется механизм рассеяния решетки, когда атомы полупроводника начинают вибрировать из-за увеличения тепловой энергии, что препятствует движению всего заряда. носителей, вызывая снижение обеих подвижностей. Однако, поскольку проводимость в большей степени определяется концентрацией носителей (которая увеличивается с повышением температуры), она продолжает увеличиваться. Благодаря красному режиму больше собственных электронов в валентной зоне возбуждаются в зону проводимости с большей скоростью, оставляя после себя больше дырок. По мере того как это продолжается, полупроводник p-типа постепенно становится собственным полупроводником со всеми собственными электронами, которые продвигаются вперед, оставляя после себя еще больше дырок. Рассеяние решетки находится в высшей точке из всех тепловых колебаний (подвижности электронов и дырок еще больше уменьшаются). Однако проводимость находится на максимальном уровне, потому что, хотя оба носителя заряда испытывают многократное рассеяние, существует гораздо больше дырок и электронов, которые проводят в своих соответствующих зонах при более высоких температурах.

Опять же, в этом процессе наиболее сложной для понимания концепцией является уровень Ферми (лучше всего описывать словесно, а не математически для изменения температуры). В начальной синей области уровень Ферми все еще находится в середине запрещенной зоны, потому что все движения останавливаются и нет плотности состояний, которые даже существуют. Через синюю область к точке, где материал ведет себя как полупроводник p-типа, уровень Ферми опускается к точке, где под ним находится большинство состояний (уровень Ферми между валентной зоной и уровнем акцептора). Однако по мере того, как больше собственных электронов начинает увеличивать проводимость в красном режиме рисунка, уровень Ферми начинает двигаться вверх ближе к середине запрещенной зоны, напоминая собственный полупроводник.

Вопросы

В чем основная разница между полупроводниками n-типа и p-типа?
Назовите и опишите разницу между двумя разными типами рассеяния.
Каковы три области/поведения, зависящие от температуры, для внешнего полупроводника?

Ответы

Полупроводник n-типа был легирован примесными атомами, которые содержат на один электрон больше атома, что позволяет им отдавать электроны, которые могут проводить в зоне проводимости. Полупроводник p-типа был легирован примесными атомами, которые содержат на один электрон меньше на атом, что позволяет им принимать электроны и проводить «недостаток» электронов или дырок в валентной зоне.
Рассеяние на решетке происходит при более высоких температурах, потому что оно связано с активацией тепловых колебаний, которые препятствуют движению носителей заряда, что снижает общую подвижность носителей. При понижении температуры тепловые колебания уменьшаются, и рассеяние на решетке теряет свое влияние. Рассеяние на решетке не имеет заметной зависимости от допинга. Рассеяние на ионизированных примесях происходит при низких температурах и увеличивается с увеличением легирующих примесей. Этот тип механизма рассеяния использует тот факт, что при низких температурах у носителей не хватает энергии для перехода на какие-либо другие энергетические уровни, а это означает, что ионизированные ионы примеси вызывают электростатическое притяжение с электронами или дырками в n-типе или p полупроводник соответственно. Увеличение количества примесей увеличивает количество «рассеивающих центров» в полупроводниковом материале, что означает появление дополнительных препятствий, которые могут ограничивать движение носителей заряда.

Три области/поведения: область замораживания, внешняя область и внутренняя область.

Дополнительные ссылки

Распространение (Википедия)
Зонная теория полупроводников
Внешний полупроводник (Википедия)
Как работают полупроводники
Фотолитография (Википедия)
Полосы для легированных полупроводников (HyperPhysics)
Ионная имплантация (Википедия)

Допинг (Википедия)

Каталожные номера

R Пьер. (1996). Основы полупроводниковых устройств. Рединг, Массачусетс: Addison-Wesley, 1996. 29–38. Распечатать.
Р Хуммель. (2012). Электронные свойства материалов (4 ^{-е изд.}). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer, 2012. Печать.
С. Касап и П. Каппер. (2007). Справочник Springer по электронным и фотонным материалам (4 ^{-е изд.}).

Участники и ссылки

Нитеш Марат (Калифорнийский университет, выпуск Дэвиса, 2015 г.)

Extrinsic Semiconductors распространяется по незаявленной лицензии и был создан, изменен и/или курирован LibreTexts.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или Страница
Показать оглавление
нет
Теги
1. внешние полупроводники

Semiconductor — Citizendium

Основной артикул

Обсуждение

Статьи по теме ^[?]

Библиография ^[?]

Внешние ссылки ^[?]

Версия для цитирования ^[?]

Эта редактируемая Основная статья находится в разработке и подлежит отказу от ответственности . [изменить введение]

Содержание

1 Плотность состояний
2 Легирующие примеси
3 Полевой эффект
4 Примечания

A полупроводник представляет собой вещество с электропроводностью, промежуточной между металлами и изоляторами. Чаще всего это твердые вещества.

Плотность состояний

(CC) Изображение: Джон Р. Брюз
Расчетная плотность состояний для кристаллического кремния.

В жидких и твердых материалах, где атомы находятся в непосредственной близости друг от друга, энергетические уровни, доступные электронам, попадают в зоны, разделенные энергетическими щелями. Плотность энергетических уровней на единицу энергии как функция энергии может выглядеть так, как показано на рисунке. Заполнение этой плотности состояний электронами связано с полупроводниковым поведением этого материала следующим образом:

Полосы разрешенной энергии разделены энергетической щелью. Те, что выше щели, называются энергетическими уровнями зоны проводимости, а те, что ниже, — энергетическими уровнями валентной зоны.
При низких температурах электроны занимают все энергетические уровни ниже щели и ни один выше щели.
Энергетическая щель настолько мала, что при нормальных температурах некоторые электроны могут приобретать тепловую энергию, достаточную для того, чтобы занять несколько энергетических уровней зоны проводимости выше щели, оставляя вакантными уровни (дырки) на энергетических уровнях валентной зоны ниже щели.
Энергетические уровни зоны проводимости и, возможно, энергетические уровни дырок с более высокой энергией соответствуют состояниям, пространственно протяженным через большие области материала и не локализованным. Это пространственное расширение означает, что электроны зоны проводимости (и, возможно, дырки валентной зоны тоже) могут легко перемещаться (проводить), перемещаясь между соседними уровнями в ответ на приложенное поле.

Легирующие примеси

(PD) Изображение: Джон Р. Брюз
Сравнение заполнения полупроводников n-типа, собственного и p-типа

Количество электронов и дырок, присутствующих в полупроводнике, можно регулировать, вводя примеси в полупроводник, который изменяет баланс, позволяя различаться плотности дырок и электронов. Добавленные примеси, которые контролируют заполнение энергетических уровней, называются легирующими примесями . Примеси могут либо увеличить количество электронов в зоне проводимости (называемой донорные примеси ), или увеличить количество дырок в валентной зоне (так называемые акцепторные примеси ). Полупроводники, в которых преобладают электроны, называются n-типа , те, в которых проводимость преобладают дырки, называются p-типа , а те, которые не имеют примесей и имеют одинаковую концентрацию дырок и электронов, называются собственными .

На рисунке слева показана функция Ферми при ненулевой температуре для собственного случая (равное число дырок и электронов), р — корпус с отверстиями и н — корпус с электронами. Горизонтальные пунктирные линии показывают, как линия половинного заполнения смещена примесями. Примеси, которые действуют как доноры , сдвигают уровень половинного заполнения Ферми ближе к краю зоны проводимости, в то время как примеси, называемые акцепторами , сдвигают уровень половинного заполнения Ферми ближе к валентной зоне.

В случае, когда примесь замещает атом-хозяин в решетке полупроводника, объяснение того, почему примеси ведут себя как доноры или как акцепторы, основано на валентности замещающего атома. Идея состоит в том, что заменитель должен попытаться подражать атому-хозяину в решетке, аппроксимируя его электронное распределение. Таким образом, акцепторные примеси имеют меньше валентных электронов, чем атомы-хозяева, и должны «одолжить» электрон у хозяина для этого маскарада, становясь отрицательно заряженными, в то время как донорные примеси имеют «лишние» валентные электроны и должны отдать электрон хозяину и стать положительно заряжен.

Например, если к кремнию добавить примесь из столбца III, такую как B, Al, Ga или In, эти трехвалентные атомы захватят электрон, потому что у них есть только три электрона для связи с соседними атомами, в то время как у атома кремния их четыре. Точно так же добавление атомов столбца V, таких как P, As, Sb, к кремнию, которые имеют пять электронов на своих внешних орбиталях, требует только четыре для связи и отдает пятый электрон.

Эта картина усложняется для соединения полупроводника , такого как GaAs (полупроводник III-V), который имеет более одного типа атомов в решетке. Так, например, атом столбца VI, такой как S, Se и Te, может действовать как донор, если он занимает место атома столбца V как хозяина, а атомы столбца II, такие как Be, Mg и Zn, могут действовать как акцепторы, если они замещают Атомы-хозяева Ga. С другой стороны, атом столбца IV, такой как Si, может действовать либо как донор, либо как акцептор в зависимости от того, замещает ли Si Ga или As.

Если электрон заимствован, заполнение валентной зоны должно быть уменьшено. Это означает, что уровень заполнения Ферми перемещается ниже, ближе к краю валентной зоны. И наоборот, для доноров заполнение зоны проводимости должно увеличиваться, поэтому уровень заполнения Ферми перемещается ближе к краю зоны проводимости.

Полевой эффект

(CC) Изображение: Джон Р. Брюз
Полевой эффект : Верхние панели: приложенное напряжение изгибает полосы, удаляя отверстия с поверхности (слева). Заряд, вызывающий изгиб, уравновешивается слоем отрицательного заряда акцепторного иона (справа). Нижняя панель: большее приложенное напряжение еще больше истощает дырки, но энергия зоны проводимости снижается достаточно, чтобы заполнить инверсионный слой.

В металле плотность электронов, реагирующих на приложенные поля, настолько велика, что внешнее электрическое поле может проникнуть в материал только на очень короткое расстояние. Однако в полупроводнике более низкая плотность электронов (и, возможно, дырок), которые могут реагировать на приложенное поле, достаточно мала, чтобы поле могло довольно глубоко проникать в материал. Это проникновение поля изменяет проводимость полупроводника вблизи его поверхности и называется эффектом поля 9 .0311 . Эффект поля лежит в основе работы диода Шоттки и полевых транзисторов , в частности MOSFET, JFET и MESFET. ^[1]

Изменение проводимости поверхности вызвано тем, что приложенное поле изменяет энергетические уровни, доступные электронам на значительной глубине от поверхности, и это, в свою очередь, изменяет заселенность энергетических уровней в поверхностной области. Типичная обработка таких эффектов основана на диаграмме изгиба полосы 9.0311, показывающий положение по энергии краев полосы в зависимости от глубины проникновения в материал.

Пример диаграммы изгиба зон показан на рисунке для двухслойной структуры, состоящей из изолятора в качестве левого слоя и полупроводника в качестве правого слоя. Примером такой структуры является МОП-конденсатор , структура с двумя выводами, состоящая из металлического контакта затвора , полупроводникового корпуса (например, кремния) с корпусным контактом и промежуточного изолирующего слоя (например, диоксид кремния, отсюда и обозначение О ). Левые панели показывают самый низкий энергетический уровень зоны проводимости и самый высокий энергетический уровень валентной зоны. Эти уровни «изгибаются» приложением положительного напряжения В . По соглашению показана энергия электронов, поэтому положительное напряжение, проникающее через поверхность , снижает край проводимости. Пунктирная линия изображает ситуацию заполнения: ниже этого уровня Ферми состояния заняты, а выше него они пусты, при нулевой температуре. Однако при рабочих температурах часть электронов заселяет зону проводимости, а часть вакансий (дырок) — валентную зону.

Пример на рисунке показывает, что уровень занятости Ферми в объемном материале за пределами диапазона приложенного поля находится близко к краю валентной зоны. Такое положение для уровня заполнения обеспечивается введением примесей в полупроводник. В этом случае примесями являются так называемые акцепторы , которые поглощают электроны из валентной зоны, превращаясь в отрицательно заряженные неподвижные ионы, встроенные в полупроводниковый материал. Удаленные электроны уходят с уровней валентной зоны, оставляя вакансии или отверстия в валентной зоне. В области без поля преобладает нейтральность заряда, потому что отрицательный акцепторный ион создает положительный дефицит в материале-хозяине: дырка — это отсутствие электрона, она ведет себя как положительный заряд. Там, где поле отсутствует, достигается нейтральность, потому что отрицательные акцепторные ионы точно уравновешивают положительные дырки.

Далее описывается изгибание ленты. Положительный заряд размещается на левой стороне изолятора (например, с помощью металлического электрода «затвор»). В изоляторе нет зарядов, поэтому электрическое поле постоянно, что приводит к линейному изменению напряжения в этом материале. В результате изоляторная зона проводимости и валентная зона представляют собой прямые линии на рисунке, разделенные большой энергетической щелью изолятора.

В полупроводнике при меньшем напряжении, показанном на верхней панели, положительный заряд, размещенный на левой стороне изолятора, снижает энергию края валентной зоны. Следовательно, эти состояния полностью заполнены до так называемой глубины истощения , где объемная занятость восстанавливается, потому что поле не может проникнуть дальше. Поскольку уровни валентной зоны вблизи поверхности полностью заняты из-за понижения этих уровней, вблизи поверхности присутствуют только неподвижные отрицательные заряды акцепторных ионов, которая становится электроизолирующей областью без дырок ( истощенный слой ). Таким образом, проникновение поля прекращается, когда открытый заряд отрицательного акцепторного иона уравновешивает положительный заряд, размещенный на поверхности изолятора: обедненный слой регулирует свою глубину достаточно, чтобы суммарный заряд отрицательного акцепторного иона уравновешивал положительный заряд на затворе.

Край зоны проводимости также опускается, увеличивая заселенность этих состояний электронами, но при низких напряжениях это увеличение незначительно. Однако при более высоких приложенных напряжениях, как на нижней панели, край зоны проводимости опускается в достаточной степени, чтобы вызвать значительное заселение этих уровней в узком поверхностном слое, называемом инверсия слоя, потому что электроны имеют противоположную полярность по отношению к дыркам, изначально населявшим полупроводник. Это начало заряда электронов в инверсионном слое становится очень значительным при приложенном пороговом напряжении , и как только приложенное напряжение превышает это значение, нейтральность заряда достигается почти полностью за счет добавления электронов в инверсионный слой, а не за счет увеличения акцепторного иона. заряд за счет расширения обедненного слоя. Дальнейшее проникновение поля в полупроводник в этой точке останавливается, так как плотность электронов экспоненциально увеличивается с изгибом зон выше порогового напряжения, эффективно закрепление глубины обедненного слоя на его значении при пороговом напряжении.

Примечания

↑ The acrynoms stand for M etal O xide S emiconductor F ield E ffect T ransistor, J unction F ield E ffect T ransistor, and ME таль S полупроводник F поле E эффект T ранзистор.

Каким типом проводимости обладают полупроводники n типа?

Каким типом проводимости обладают полупроводники n типа?

Какие полупроводники называются электронными или N типа?

Как получить полупроводник n типа?

Почему примеси уменьшают сопротивление полупроводников?

Каким типом проводимости обладают чистые полупроводники?

Каким типом проводимости обладает полупроводник с акцепторной примесью?

Каким типом проводимости обладает полупроводник не содержащий примесей?

Какой тип проводимости преобладает в полупроводниках с примесями?

Какие полупроводники называются примесными?

Как возникает примесная электронная проводимость?

В чем разница между донорной и акцепторной примесями?

Какую примесь называют Донорной?

Какие примеси в стали отрицательно сказываются на качестве сплава?

Каким типом проводимости обладают полупроводниковые материалы с акцепторными примесями?

Ваш ответ

Похожие вопросы

Внешние полупроводники — Инженерные тексты LibreTexts

Введение

Полупроводники N-типа

Полупроводники p-типа

Температурная зависимость

Вопросы

Ответы

Дополнительные ссылки

Каталожные номера

Участники и ссылки

Semiconductor — Citizendium

Содержание

Плотность состояний

Легирующие примеси

Полевой эффект

Примечания

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Рубрики