Разница между Донорными и Акцепторными 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).

Легирование полупроводников — это процесс, при котором добавляются примеси в полупроводник. Легирование используется для увеличения проводимости полупроводника. Существует две основные формы примесей: Донорные и Акцепторные. При донорном легировании добавляются Донорные примеси, тогда как при акцепторном легировании добавляются Акцепторые примеси.

Содержание

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое Донорные примеси
3. Что такое Акцепторные примеси
4. В чем разница между Донорными и Акцепторными примесями
5. Заключение

Что такое Донорная примесь?

Донорные примеси — это донорные (отдающие) химические элементы, добавляемые к полупроводнику для увеличения его электропроводности. Элементы в V группе периодической таблицы элементов являются общими донорными примесями. Донором является атом или группа атомов, которые могут образовывать области n-типа (от англ. «negativ» —  что переводится как «отрицательный») при добавлении в полупроводник. Типичным примером является кремний (Si).

Кремний с Донорной примесью фосфора

К элементам V группы, которые часто служат в качестве донорных примесей, относятся  мышьяк (As), фосфор (P), висмут (Bi) и сурьму (Sb). Эти элементы имеют пять электронов в своей внешней электронной оболочке (у них есть пять валентных электронов). При добавлении одного из этих примесных элементов к кремнию, образуется четыре ковалентные связи.

Но теперь есть свободный электрон, так как было пять валентных электронов. Этот электрон так и останется свободным электроном, что увеличит проводимость полупроводника. Число примесных атомов определяет количество свободных электронов, присутствующих в доноре.

Что такое Акцепторная примесь?

Акцепторная примесь представляют собой акцепторные (принимающие) химические элементы, добавляемые в полупроводник для увеличения  его электропроводности. Элементы в III группе периодической таблицы элементов используются в качестве акцепторных примесей. Эти элементы включают алюминий (Al), бор (B) и галлий (Ga). Акцептор представляет собой легирующую примесь, которая образует области р-типа (от англ. «positiv» —  что переводится как «положительный») при добавлении в полупроводник. Атомы акцепторных примесей имеют три валентных электрона в своих внешних электронных оболочках.

Кремний с Акцепторной примесью бора

При добавлении в полупроводник акцепторного атома примеси, например такого как алюминий, он заменяет атомы кремния в полупроводнике. Перед этим атом кремния имеет вокруг себя четыре ковалентные связи. Когда атом алюминия занимает положение кремния, этот атом алюминия образует только три ковалентные связи, что, в свою очередь, приводит к образованию свободной вакансии ковалентной связи у соседних атомов. Эта свободная вакансия называется дыркой. Из соседней ковалентной связи на место свободной дырки может перескочить электрон. Эти дырки используются при прохождении электричества через полупроводник. При прохождении электричества в полупроводнике происходит хаотическое блуждание дырок.

Когда число добавленных примесных атомов увеличивается, число дырок, присутствующих в полупроводнике, также увеличивается. Это добавление примеси, увеличивает проводимость в полупроводнике. После завершения процесса легирования полупроводник становится внешним (легированным) полупроводником.

В чем разница между Донорными и Акцепторными примесями?

Донорные против Акцепторных примесей
Донорные примеси — это донорные элементы, добавляемые к полупроводнику для увеличения его электропроводности	Акцепторные примеси представляют собой акцепторные элементы, добавляемые к полупроводнику для увеличения его электропроводности
Распространенные примеси
Элементы V группы	Элементы III группы
Примеры примесей
Мышьяк (As), фосфор (P), висмут (Bi) и сурьма (Sb)	Алюминий (Al), бор (B) и галлий (Ga)
Процесс
Увеличение свободных электронов в полупроводнике	Увеличение дырок в полупроводнике
Валентные Электроны
Атомы имеют пять валентных электронов	Атомы имеют три валентных электрона
Ковалентное соединение
Образует четыре ковалентные связи внутри полупроводника, оставляя пятый электрон в качестве свободного электрона	Образует три ковалентные связи внутри полупроводника, оставляя дырку, где ковалентная связь отсутствует

Заключение — Донорные против Акцепторных примесей

Полупроводники — это материалы, занимающие промежуточное место между диэлектриками, который не является проводником, и проводниками. Доноры и Акцепторы — это легирующие примеси, которые образуют проводящие электрический ток области в полупроводниках. Легирование Донором или Акцептором — это процессы, которые увеличивают электропроводность полупроводника. Основное различие между Донорными и Акцепторными примесями заключается в том, что элементы в III группе периодической таблицы действуют как Донорные примеси, тогда как элементы в V группе действуют как Акцепторные примеси.

Акцептор (физика) — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Схематическое изображение кремния с акцепторной примесью бора

Акце́птор — в физике твёрдого тела (также полупроводников) примесь в кристаллической решётке, которая придаёт кристаллу дырочный тип проводимости, при которой носителями заряда являются дырки. Термин имеет смысл при ковалентном типе связей в кристалле.

Акцепторы бывают однозарядными и многозарядными. Например, в кристаллах элементов IV группы периодической системы элементов (кремния, германия) элементы III группы (бор, алюминий, индий, галлий) являются однозарядными акцепторами. Поскольку элементы третьей группы имеют валентность 3, то три электрона его внешней электронной оболочки образуют химическую связь с тремя соседними атомами, например, кремния в кубической решётке, а электрона для образования четвёртой связи недостает. Однако при ненулевой температуре с определённой вероятностью четвёртая связь образуется за счет захвата недостающего 4-го электрона у атома кремния. При этом лишенный 4-го электрона атом кремния приобретает положительный заряд. Энергия захваченного акцептором электрона на несколько эВ выше энергии потолка валентной зоны. Из-за теплового движения электронов дырка может быть заполнена электроном, отнятым у соседнего атома кремния, при этом тот приобретёт положительный заряд — дырка переместится на этот атом кремния. Поэтому, можно считать, что носителями заряда являются перемещаемые положительно заряженные дырки. При приложении электрического поля дырки начнут упорядоченно двигаться к катоду. Естественно, истинными носителями заряда по-прежнему являются электроны.

Для оценки энергии связи дырок на акцепторах часто используют модель водородоподобного центра, в которой энергия связи находится из решения уравнения Шредингера для атома водорода с учётом того, что дырка в кристалле — квазичастица, эффективная масса которой отличается от массы свободного электрона, а также того, что дырка движется не в вакууме, а в среде с определённой диэлектрической проницаемостью. Такие акцепторы называются мелкими и образуют водородоподобную серию уровней с энергиями, которые можно оценить по формуле

Ea=EV+Rmh∗m0ε21n2{\displaystyle E_{a}=E_{V}+R{\frac {m_{h}^{*}}{m_{0}\varepsilon ^{2}}}{\frac {1}{n^{2}}}},

где Ea{\displaystyle E_{a}} — энергия акцепторного уровня, EV{\displaystyle E_{V}} — энергия потолка валентной зоны, mh∗{\displaystyle m_{h}^{*}} — эффективная масса дырки, m0{\displaystyle m_{0}} — масса свободного электрона, ε{\displaystyle \varepsilon } — диэлектрическая проницаемость полупроводника, R{\displaystyle R} — постоянная Ридберга, n{\displaystyle n} — квантовое число, которое принимает значение от 1 до бесконечности (однако в основном важны только состояния с малыми числами n{\displaystyle n}).

Более строгий расчет энергии основного и возбуждённых состояний акцепторных уровней требует учёта локального потенциала примеси, а также наличия во многих полупроводниках нескольких ветвей у закона дисперсии дырок (лёгкие и тяжёлые дырки). Акцепторы, энергия связи которых близка к энергии, оценённой из водородоподобной модели, называются мелкими акцепторами.

Обычно эффективные массы дырок малы в сравнении с массой свободного электрона. Кроме того полупроводники имеют достаточно большие значения диэлектрической проницаемости (порядка 10), так что энергия акцептора примерно в 100—1000 раз меньше энергии электрона в атоме водорода. Именно благодаря этим особенностям акцепторные уровни во многих полупроводниках ионизованы уже при комнатной температуре. Учитывая этот факт, волновые функции мелких акцепторных уровней простираются на много периодов кристаллической решётки, имея радиус намного больше чем радиус Бора.

Полупроводник	Акцептор	Ea−EV{\displaystyle E_{a}-E_{V}} (мэВ)
GaAs	C	26
	Be	28
	Mg	28
	Si	35
Si	B	45
	Al	67
	Ga	72
	In	160
Ge	B	10
	Al	10
	Ga	11
	In	11

• Ансельм А. И. Введение в теорию полупроводников. — 2-е изд., доп. и перераб.. — М.: Наука, 1978. — 615 с.

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Определение 1

В полупроводниках основная зона разделена с зоной возбужденных уровней конечным интервалом энергий ∆E. У проводника она получила название валентной, а зона возбужденный состояний – зоной проводимости.

Если T=0 К, то валентная зона заполняется целиком. В этом случае, зона проводимости свободна. Отсюда следует, что вблизи абсолютного нуля полупроводники не способны проводить ток. Отличие диэлектриков и полупроводников состоит в ширине запрещенной зоны ∆E. Диэлектриками считают полупроводники при ∆E>2 эВ.

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Примечание 1

Если температура увеличивается, электроны начинают производить обмен энергии с ионами кристаллической решетки. Это может стать причиной обретения добавочной кинетической энергии ≈kT. Ее количества достаточно для перевода некоторой части электронов в зону проводимости. Там они способны проводить ток.

Определение 2

В валентной зоне освобождаются квантовые состояния, которые электронами не заняты. Эти состояния называют дырками. Они являются носителями тока.

Электроны способны совершать квантовые переходы в незаполненные состояния. Заполненные состояния в этом случае освобождаются, то есть становятся дырками. В результате чего можно наблюдать появление равновесной концентрации дырок.

При отсутствии внешнего поля ее значение одинаковое по всему объему проводника. Квантовый переход сопровождается его перемещением против поля. Он способен уменьшить значение потенциальной энергии системы. Переход, который связан с перемещением в направлении поля, способен увеличить потенциальную энергию системы. При наличии преобладания количества переходов против поля над переходами по полю через полупроводник начнет протекать ток по движению приложенного электрического поля. Незамкнутый полупроводник характеризуется течением тока до тех пор, пока электрическое поле не будет компенсировать внешнее. Конечный результат такой же, как если бы в качестве носителей тока были не электроны, а положительно заряженные дырки. Отсюда следует, что различают два вида проводимости полупроводников: электронная и дырочная.

Носителя тока в металлах и полупроводниках считаются электроны, а дырки введены формально. Дырки в качестве положительно заряженных частиц не существует. Но перемещение в электрическом поле такое же, как и при классическом рассмотрении положительно заряженных частиц. Небольшая концентрация электронов в зоне проводимости и дырки в валентной зоне позволяют применять классическую статистику Бо

Как образуются донорные и акцепторные примеси

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. Электрический ток в полупроводниках. Донорные примеси. Si. Si. As. Si. Si. Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна для технического применения полупроводников. Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси (легируют) , которые бывают донорные и акцепторные. -.-. При легировании 4–валентного кремния Si 5–валентным мышьяком As, один из 5 электронов мышьяка становится свободным. As – положительный ион. Дырки нет! -.-. —. —. -Такой полупроводник называется полупроводником n – типа, основными носителями заряда являются электроны, а примесь мышьяка, дающая свободные электроны, называется донорной. 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. <a rel=»nofollow» href=»http://ru.morfey13.wikia.com/wiki/Донорные_и_акцепторные_примеси» target=»_blank»>http://ru.morfey13.wikia.com/wiki/Донорные_и_акцепторные_примеси</a>. <img src=»//otvet.imgsmail.ru/download/36734039_7bd870c69f01d72206a6929783140728_120x120.jpg» data-hsrc=»//otvet.imgsmail.ru/download/36734039_7bd870c69f01d72206a6929783140728_800.jpg» ><img src=»//otvet.imgsmail.ru/download/36734039_29e80b1c30efb0dd2d6f06780e175c7c_120x120.jpg» data-hsrc=»//otvet.imgsmail.ru/download/36734039_29e80b1c30efb0dd2d6f06780e175c7c_800.jpg» >

Ответы на вопросы «Электромагнетизм. § 44. Примесный полупроводник — составная часть элементов схем»

1. Какую проводимость полупроводников называют собственной? Какие известны механизмы собственной проводимости?

Собственной проводимостью называют проводимость чистых полупроводников в отсутствие примесей, потому что она определяется свойствами самого полупроводника. Известны два механизма собственной проводимости — дырочная и электронная.

2. Как осуществляется электронная и дырочная проводимость?

Электронная проводимость осуществляется направленным перемещением свободных электронов в межатомном пространстве, которые покинули валентную оболочку атома под действием внешних полей или в результате нагревания полупроводника.

Дырочная проводимость осуществляется при направленном перемещении валентных электронов между электронными оболочками соседних атомов на вакантные места (дырки).

3. Какую проводимость полупроводников называют примесной? Охарактеризуйте донорную и акцепторную примеси

Проводимость полупроводников, которая обусловлена внесением примесей в их кристаллические решетки, называется примесной проводимостью.

Различают донорные и акцепторные примеси. Валентность атомов акцепторной примеси меньше валентности основного полупроводника, а донорной — больше.

4. Приведите пример полупроводника с донорной примесью Почему его называют полупроводником n-типа?

Примером донорной примеси является пятивалентные атомы мышьяка As в четырехвалентном германии Ge. Полупроводники с донорной примесью иногда называют полупроводником n-типа, потому что они преимущественно обладают электронной проводимостью.

5. Приведите пример полупроводника с акцепторной примесью Почему такой полупроводник называют полупроводником p-типа?

Примером акцепторной примеси являются трехвалентные атомы гелия Ga в четырехвалентном германии Ge. Полупроводники с акцепторной примесью иногда называют полупроводником р-типа, потому что дырки имеют положительный заряд.

См снутри. Что образуется в полупроводнике при добавлении донорной примеси?

Увеличивается количество электронов. ДОНОРНАЯ ПРИМЕСЬ — примесь в полупроводнике, ионизация к-рой приводит к переходу электрона в зону проводимости или на уровень акцепторной примеси. Типичный пример Д. п. — примеси элементов V группы (Р, As, Sb, Bi) в элементарных полупроводниках IV группы — Ge и Si. В сложных полупроводниках роль Д. п. могут играть атомы электроположит. элементов (Сu, Zn, Cd, Hg и др.) , избыточные по отношению к составу, соответствующему стехиометрич. ф-ле полупроводника. Введение Д. п. сообщает полупроводнику электронную проводимость, поскольку ионизация Д. п. приводит к появлению электронов в зоне проводимости, что описывается как переход электрона в зону проводимости с донорного уровня, расположенного в запрещённой зоне. Д. п. характеризуется энергией, необходимой для такого перехода (энергией иони-зации Ei. Д. п. с энергией ионизации порядка тепловой энергии kT (мелкие примеси) описывается водородоподобной моделью. Учёт диэлектрич. свойств полупроводника (характеризуемых его диэлектрической проницаемостью e) и отличие эфф. массы т* электронов проводимости от массы свободных электронов m0 приводит к тому, что энергия ионизации Д. п. оказывается в e2m0/m* раз меньше энергии ионизации атома водорода (~10 эВ) . При m*~0,l m0, e~10Ei ~10-3 Eат ~ 10 мэВ.

При комнатной температуре электроны с атомов примеси переходят в зону проводимости, соответственно атомы примеси становятся положительно заряженными ионами. Полупроводник в целом становится элетропроводен благодаря наличию элетронов в зоне проводимости. Это проводник n-типа («эн-типа»). Проводимость будет пропорциональна количеству донорной примеси.

Проводимость полупроводника увеличивается за счёт увеличения электронов, как свободных носителей заряда.

§ 2. Акцепторные примеси. Полупроводники p-типа

Акцепторными примесями для германия и кремния являются атомы трехвалентных элементов, таких как бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In).

Название «акцептор» происходит от латинского acceptor — приемник. Каждый атом акцептора забирает из валентной зоны один электрон, создавая в валентной зоне носитель заряда — дырку. Такой примесный полупроводник, в котором носителями заряда являются положительные дырки, называется полупроводником p-типа (от лат. positiv — положительный).

На рисунке 14.2а) изображена схема кристаллической решетки германия (Ge) в которой на месте одного из атомов германия помещен атом бора (B), у которого три валентных электрона. Рядом, на рисунке  14.2б), изображена энергетическая зонная схема полупроводника с акцепторной примесью.

Рис. 14.2

Так как атом бора имеет три валентных электрона, то их окажется недостаточно для образования ковалентных связей с четырьмя соседями: одна из связей окажется лишь с одним электроном, полученным от атома германия. На эту незаполненную связь от соседних атомов германия переходит электрон, образуя положительно заряженную дырку на своем прежнем месте, и атом бора в результате, становится отрицательным ионом. Эта дырка будет связана с отрицательным ионом бора примерно так же, как донорный электрон связан с положительным ионом.

На энергетической схеме 14.2б) вакантный уровень (с дыркой на нем) мы должны разместить недалеко от «потолка» валентной зоны, его энергия выше «потолка» валентной зоны на  величину E

a. За счет теплового движения электрон из валентной зоны может перейти на акцепторный уровень, создав свободную дырку в валентной зоне. На пространственной схеме 14.2а) этому процессу соответствует возможность удаления положительной дырки от отрицательного иона бора на сколь угодно большое расстояние: происходит ионизация акцептора и переход дырки из связанного состояния в свободное.

Для оценки энергии связи дырки E_a (она же — энергия ионизации акцептора) можно использовать те же соображения, что применялись для оценки энергии связи донорного электрона в предыдущем параграфе. Для бора в германии величина E_a ≈ 0,01 эВ. Так как энергия E_a невелика, то при комнатной температуре kT > E_a и все акцепторы будут ионизированы. Таким образом, как и в случае электронной проводимости, дырочная проводимость вследствие ионизации акцепторов не будет зависеть от температуры, а будет определяться только концентрацией примесных атомов.

§ 3. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод

Создадим контакт из двух полупроводников, один из которых p-типа, а другой n-типа, как это изображено на рис.14.3 Такой контакт называют электронно-дырочным переходом, или p-n переходом.

Рис. 14.3

Предположим для удобства рассмотрения, что контакт создан приведением в соприкосновение двух образцов полупроводника: p и n типа. В первый момент обе части созданного перехода будут электрически нейтральны.

В материале p-типа имеются свободные дырки, причем их концентрация равна концентрации отрицательно ионизированных примесных акцепторных атомов. В материале n-типа, справа от перехода, имеются свободные электроны. Их концентрация равна концентрации положительно заряженных примесных донорных атомов.

Кроме примесных носителей в полупроводнике всегда присутствует некоторое количество собственных носителей. Их концентрация при комнатной температуре мала по сравнению с концентрацией примесных носителей, поэтому их называют неосновными носителями.

Таким образом, в p-области концентрация дырок велика, а в n-области мала. С электронами дело обстоит наоборот, их концентрация велика в n-области, а в p-области мала. За счет различия концентраций возникают диффузионные потоки (см. Ч. 4, лекция N 6, § 3).

Дырки из p-области будут двигаться в n-область, одновременно электроны из n-области будут диффундировать в область p.

Возникшие потоки зарядов приведут к нарушению электрической нейтральности. В p-области останутся нескомпенсированные отрицательно заряженные ионы акцепторных атомов. В n-области будет избыток положительно заряженных ионов донорных атомов. В результате образуется двойной слой разноименных зарядов, которые создадут электрическое поле, направленное от n-области к p-области, как это изображено на рисунке 14.4.

Рис. 14.4

Возникшее поле будет препятствовать диффузионным потокам. Установится равновесное распределение носителей в области p-n перехода. В области двойного электрического слоя электроны и дырки, двигаясь навстречу друг другу, рекомбинируют, в результате p-n переход оказывается обедненным носителями, проводимость его становится маленькой.

Полупроводниковый диод — прибор, обладающий способностью хорошо пропускать через себя ток одного направления и плохо — противоположного направления. Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковую пластину с двумя областями различной проводимости: электронной (n-типа) и дырочной (p-типа). Между ними возникает p-n переход, который и обладает  односторонней проводимостью.

Подадим на p-n переход разность потенциалов Δφ (см. рисунок 14.5).

На рисунке 14.5а) p-n переход, смещенный в обратном направлении (к области p подан отрицательный потенциал, к n области — положительный), ток через переход почти отсутствует. На рисунке 14.5б) p-n переход смещен в прямом направлении (к области p подан положительный потенциал, к области n — отрицательный), в этом случае ток резко растет с ростом разности потенциалов на p-n переходе. Происходит это по следующим причинам.

Рис. 14.5

Если отрицательный полюс источника напряжения соединен с p-областью, а положительный с n-областью (см. рис. 14.5а), то высота потенциального барьера для основных носителей возрастет. Иными словами — усилится электрическое поле, препятствующее движению основных носителей через p-n переход. В этом случае под действием внешнего поля через переход смогут двигаться только неосновные носители (на рис. 14.5а) в n-области изображена дырка, которая может «скатиться» с «потенциальной горки»). Следовательно, через p-n переход при обратном смещении будет течь только слабый ток неосновных носителей.

Теперь соединим положительный полюс источника с р-областью, а отрицательный — с n-областью.

В этом случае внешнее поле будет направлено в сторону, противоположную полю двойного электрического слоя. Величина потенциального барьера будет меньше, чем при отсутствии внешнего поля. При достаточно большой положительной внешней разности потенциалов барьер превратится в «горку» для основных носителей. Дырки из p-области будут под действием внешнего поля переходить в области n, а электроны из n-области — в область p. Возникает ток основных носителей через p-n переход, он будет экспоненциально возрастать с ростом положительной разности потенциалов.

Зависимость тока от напряжения (разности потенциалов) называют вольт-амперной характеристикой для полупроводникового диода. Вольт-амперная характеристика изображена на рисунке 14.6.

Рис. 14.6

При отрицательном напряжении течет очень маленький ток неосновных носителей. Если отрицательное напряжение больше чем U_пр — возникает электрический пробой, через переход течет большой отрицательный ток.