Примесные полупроводники

Примесные полупроводники

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. Для равномерного распре­де­­ле­­ния легирующей примеси в объ­еме полупроводника ле­ги­ро­ва­­ние осу­­щест­в­ля­ет­ся в процессе вы­ращивания монокристалла по­лу­­про­вод­ника из жидкой или га­зо­образной фазы. Локальное ле­ги­­ро­ва­ние части объема полу­про­водника­, например, при­по­ве­р­х­ностной об­­ла­сти, производится методом диффузии при силь­ном нагреве полупроводника или низкотемпературными методами ион­ного ле­ги­ро­вания.

Роль примесей могут играть и всевозможные дефекты стру­к­ту­ры кри­­сталлической решетки полупроводника, такие как вакан­сии,  ме­ж­ду­узельные атомы, дислокации.

При малой концентрации примесей (10²¹…10²³ м^-3) примесные атомы со­­з­­дают  дополнительные дискретные энергетические уровни в за­­п­ре­щенной зоне полупроводника. Такой полупроводник на­зы­ва­ется не­вы­рожденным. Повышение концентрации примесных ато­­мов в полупроводнике до 10²⁴…10²⁵ м^-3 сопровождается поя­в­ле­нием в за­пре­щенной зоне по­лу­про­водника вместо дискретных уров­ней зон при­­мес­ных уров­ней. Такие полупроводники на­зы­ва­ют вы­рож­ден­ными.

Различают два основных вида примесей, которые ис­поль­зую­т­­ся для преднамеренного легирования полупроводников и соз­да­ю­­щих преимущественно электронный или дырочный тип про­во­ди­­мо­сти. Примеси, введение которых в полупроводник соз­да­­ет  эле­к­т­ронный тип проводимости, называются

донорными. При­­месь, соз­да­ющая дырочную про­води­мость, называется акцеп­тор­ной.

Электронные полупроводники.   Полупроводник, легирован­ный донорной примесью, называют полупроводником электрон­но­­­го типа (n-типа) проводимости или электронным полупровод­ни­ком.

Электронная проводимость появляется в результате ле­ги­ро­ва­ния по­­лупроводника элементами, име­ющими большую ва­ле­н­т­ность, чем валентность атомов из кото­рых состоит полу­про­вод­ни­к. На­при­­мер, для Si и Ge, являющи­ми­ся эле­ментами 4 груп­пы таб­ли­­цы Мен­де­­­леева, в качестве до­норных примесей при­ме­ня­ют эле­­ме­н­­­ты 5 группы, как правило это

15P, ₃₅As, ₅₁Sb.

Замещая узлы кристаллической решетки полупроводника, ато­­мы донорной примеси отдают часть своих валентных эле­к­т­ро­нов для создания ковалентных связей с атомами основного ве­ще­ст­­ва и уча­ст­вуют в создании дополнительных энергетических уро­в­ней в за­прещенной зоне полупроводника, как показано на рис. 1.25.

 

При образовании хи­ми­че­ской свя­зи с атомом кремния один из пя­ти валентных электронов ато­ма при­меси оказывается «лиш­ним» и переходит на стационарную ор­­биту вбли­зи атома примеси (рис. 1.25, а). У это­го электрона существует сла­бая эле­к­т­ро­стати­че­с­­кая связь с при­ме­­с­ным ато­мом за счет ку­ло­нов­с­ко­­­го вза­и­модей­с­т­вия. Энергия кулоновской связи DW_d со­­став­ля­ет всего 0,03…0,05 эВ. По­э­тому  для перехода «лиш­не­го» элек­трона в сво­­бо­­д­­ное со­сто­я­ние  до­статочно небольшой эне­р­­гии, ко­торую эле­к­т­рон мо­жет по­лу­чить за счет тепловых ко­ле­ба­ний кри­с­тал­­­ли­че­с­­кой ре­ше­тки.  В ре­­зультате атом донорной при­­ме­си ста­но­ви­т­ся по­­ло­жи­тельно за­­ря­жен­­­ным ио­ном.

Рассмотрим энергетическую зонную диаграмму полу­про­­во­­­д­­­ника с электронным типом проводимости, изображен­ную на рис. 1.25, б.  Как уже от­ме­чалось, для того, чтобы пятый ва­ле­н­т­ный эле­­­к­трон стал сво­бо­д­ным, необходимо затра­тить энергию зна­­чи­те­ль­но ме­­ньшую, чем для разрыва ковалентной связи.

В со­от­­­ветствии с этим энер­ге­ти­че­с­кий уровень пятого валентного эле­к­трона на зон­­ной диаграмме до­л­­жен располагаться в за­пре­щен­­ной зоне вбли­зи дна зоны про­во­ди­мо­сти, образуя до­пол­ни­те­ль­­ный энерге­ти­чес­кий уровень донорной примеси с энергией W_d.

Дырочные полу­провод­ни­ки. Полупроводник, леги­ро­ван­ный ак­­цепторной при­месью, на­зы­вают полу­про­во­д­­ником дырочно­го ти­­па (р-типа) проводимости или дырочным полу­провод­ником.

Дырочная проводимость создается в результате легирования по­­­­лупроводника элементами, име­ющими меньшую валентность, чем валентность атомов, из кото­рых состоит полу­про­вод­ни­к.  На­­при­­­мер, для Si и Ge, являющимися эле­мен­тами четвертой груп­пы таб­ли­­­цы Мен­де­­­леева, в качестве акцепторных примесей при­ме­ня­ют эле­­ме­н­­­ты третьей группы, как правило это

5B, ₁₃Al, ₃₁Ga, ₄₉In.

Замещая узлы кристаллической решетки полупроводника, ато­­мы акцепторной примеси захватывают валентный эле­к­т­ро­н от со­­се­д­­не­го атома кремния для создания ковалентных связей с ато­ма­ми ос­­­новного ве­ще­ст­ва, превращаясь при этом в отрицательно за­­ря­­жен­­ные ионы, и уча­ст­вуют в создании дополнительных энер­ге­­ти­че­с­ких уров­ней в за­прещенной зоне полупроводника, как по­ка­­зано на рис. 1.26.

Механизм появления дырочной проводимости иллюстрируется на рис. 1.26, а. При образовании химической ковалентной связи с ато­­­­­ма­­­ми Si или Ge все три валентных электрона атома акце­п­то­р­ной при­­меси уча­­ст­ву­ют в образовании ковалентных связей. Для со­з­­­да­ния че­твертой (не­за­­вер­шен­ной)  химической связи может быть захвачен электрон из ко­ва­ле­нтных свя­­зей одного из бли­жай­­ших со­седних атомов кре­м­ния. У это­го атома, в свою оче­редь, по­я­в­ля­ет­ся незавершенная связь с со­сед­ним атомом кре­м­ния, ко­торая на­зы­ва­­ется дыркой.

У дырки су­ще­­ству­ет сла­бая эле­­к­­­­т­ро­ста­ти­чес­кая связь с атомом кремния. Эне­р­гия этой куло­но­в­с­кой свя­з­и DW_a, как и в случае электронных по­лу­­про­­во­д­ни­ков, не­­велика и со­­став­ля­­­ет всего 0,01…0,07 эВ. По­э­тому  для зах­ва­та дыр­­кой элек­трона из ко­валентной связи соседнего атома  до­­­ста­то­ч­но неболь­шой эне­р­­гии, ко­торую эле­к­трон мо­жет по­лу­чить за счет тепловых ко­ле­ба­ний кри­­с­тал­­­ли­че­с­­кой ре­ше­тки. В ре­зу­льтате об­­мена электронами между со­седними атомами  дырка мо­­жет пе­ре­­мещаться по кристаллу по­лу­­про­вод­ника, осу­ществляя при при­ло­­жении внешнего эле­к­т­ри­че­с­кого по­ля ды­ро­ч­ную про­во­ди­мость.

 

На рис. 1.26, б представлена энергетическая зонная диаграмма ды­­рочного полупроводника, из которой следует, что ионизация ак­­цепторного атома происходит в результате захвата электрона из ва­­ле­нтной зоны полупроводника на энергетический уровень ак­це­­п­то­р­ной примеси с энергией W_a. Поскольку, как уже от­ме­ча­лось вы­ше, энергия образования свободной дырки невелика, то ло­кальные эне­р­ге­ти­чес­кие уровни акцепторной примеси

W_a рас­положены в зап­рещенной зоне полупроводника вблизи по­то­л­ка валентной зо­ны.

 

56. Какой полупроводник называется примесным и чем объясняется его широкое применение.

Примесный полупроводник — это полупроводник, элек­т­ро­­­фи­зи­­чес­кие свойства которого определяются, в основном, при­ме­ся­­ми дру­гих химических элементов.

Примесные полупроводники получают в результате внедрения в собственный полупроводник атомов примеси с валентностью большей или меньшей, чем у атомов собственного полупроводника. При наличии в полупроводниках примесей в них наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость. Примесные полупроводники обладают более высокой электрн ческой проводимостью, чем полупроводники с собственной проводимостью. В полупроводниковых приборах используются главным образом полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси.

При обычных рабочих температурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т.е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон.

Материал этой примеси выбирается так, чтобы разрешенные уровни ее электронов находились вблизи “дна” зоны проводимости (рис. 3.2). За счет значительно меньшего удаления от зоны проводимости вероятность перехода электронов примеси в зону проводимости уже при комнатной температуре резко увеличивается по сравнению с электронами валентной зоны (см. рис. 3.2, пунктир). Свободные носители в зоне проводимости в основном будут обусловлены электронами примеси, а их число намного больше дырок в валентной зоне. Такой полупроводник называется

электронным, или n-типа. Электроны называются основными носителями, а дырки – неосновными, причем имеет место неравенство

n_n >> p_n. (3.3)

В отличие от электронов, уходящих из валентной зоны, электроны примеси, перешедшие в зону проводимости, дырок не образуют, поскольку при малой концентрации примеси расстояние между ее атомами настолько велико, что переход электрона от одного атома примеси на освободившийся уровень у другого атома становится невозможным, поэтому атом примеси, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом, не способным передвигаться в твердом теле.

Концентрация носителей в примесном полупроводнике подчиняется закону

n_n p_n=n_i². (3.4)

Соотношение (3.4) означает, что увеличение объема примеси, с одной стороны, приводит к увеличению основных носителей, но, с другой стороны, возрастает и вероятность их рекомбинации, когда электрон из зоны проводимости возвращается на свободные уровни примеси, деионизируя ее атомы. В результате этих процессов и наступает равновесие, определяемое соотношением (3.4).

Поскольку уже при комнатной температуре практически все атомы примеси становятся ионизированными, число основных носителей от температуры практически не зависит (n_n  const).

Согласно соотношению (3.4)

,

а это означает, что число неосновных носителей очень сильно зависит от температуры из-за аналогичной зависимости от температуры числа собственных носителей n_i .

При повышении температуры число свободных электронов, образовавшихся при ионизации примеси, остается практически неизменным, а число электронов, переходящих из валентной зоны, как это было и в собственном полупроводнике, экспоненциально нарастает. Поскольку число атомов исходного полупроводника на несколько порядков превышает число атомов примеси, число “собственных” электронов в зоне проводимости становится много больше электронов от примеси. В полупроводнике снова устанавливается практическое равенство свободных электронов и дырок (см. формулу 3.1): примесный характер проводимости практически исчезает. Такой полупроводник называется вырожденным. Поскольку примесный характер проводимости является для многих приборов главным условием функционирования, критическая температура, при которой происходит вырождение, является важнейшей характеристикой полупроводника, определяющей его температурный “потолок” нормальной работы. Важное значение в теории электропроводности полупроводника играет такое понятие, как уровень Ферми (_F). Уровень Ферми – это сумма химического потенциала, обеспечивающего диффузию носителей в объеме твердого тела и электрического потенциала, обеспечивающего дрейф носителей. Движение носителей (электропроводность) возможно лишь при наличии градиента или химического, или электрического потенциала. В равновесном состоянии, когда направленного движения носителей в твердом теле нет, градиент уровня Ферми равен нулю, т. е. _F=const.

Уровень Ферми является функцией концентрации свободных носителей:

, (3.5)

где ₀ — потенциал середины запрещенной зоны.

Для собственного полупроводника, у которого согласно (3.1) n=n_i:

_F = ₀,

т.е. уровень Ферми расположен в середине запрещенной зоны.

Для электронного полупроводника, согласно (3. 3) и (3.4), n_n>n_i и

_F > ₀,

т. е. уровень Ферми перемещается выше середины запрещенной зоны.

Легирующая добавка | электроника | Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Britannica Beyond
  Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Просить. Мы не будем возражать.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Связанный контент

Легированные полупроводники

Легированные полупроводники

Добавление небольшого процента посторонних атомов в правильную кристаллическую решетку кремния или германия приводит к резкому изменению их электрических свойств, создавая полупроводники n-типа и p-типа. Пятивалентные примеси Атомы примеси с 5 валентными электронами производят полупроводники n-типа, внося дополнительные электроны. Трехвалентные примеси Атомы примеси с 3 валентными электронами производят полупроводники p-типа, создавая «дырку» или недостаток электронов.

Индекс Концепции полупроводников

Гиперфизика***** Конденсированные вещества R Ступица

Вернуться

Щелкните любой для получения дополнительной информации.	Индекс Концепции полупроводников
91529 Гиперфизика***** Конденсированные вещества R Ступица

Назад

Присоединение пятивалентных примеси, такие как сурьма, мышьяк или фосфор вносит свободные электроны, значительно увеличивая проводимость собственного полупроводника. Фосфор может быть добавлен путем диффузии фосфиновый газ (Ph4).	Индекс Концепции полупроводников
Гиперфизика***** Конденсированные вещества R Ступица	Вернуться

Добавление трехвалентных примесей, таких как бор, алюминий или галлий, к собственному полупроводнику создает дефицит валентных электронов, называемый «дырками». Обычно для диффузии бора в кремниевый материал используют газообразный диборан B 2 H 6 .	Индекс Концепции полупроводников
91529 Гиперфизика***** Конденсированные вещества R Ступица

Вернуться

Применение зонной теории к полупроводникам n-типа и p-типа показывает, что примеси добавили дополнительные уровни. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника