Собственные и примесные полупроводники.

Величина и тип электропроводности полупроводников зависят от природы и концентрации примеси, в том числе специально введенной (легирующей).

Собственные полупроводники не содержат легирующих добавок; к ним относятся высокой степени чистоты простые полупроводники: кремний Si, германий Ge, селен Se, теллур Те и др. и многие полу­проводниковые химические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, арсенид индия InAs и др.

Примесные полупроводники всегда содержат донорную или ак­цепторную примесь. В производстве полупроводниковых приборов примесные полупроводники используют чаще, поскольку в них свободные носители заряда образуются при более низких тем­пературах (чем в собственных полупроводниках), которые отвечают рабочему интервалу температур полупроводникового прибора.

Электропроводность собственных полупроводников.

В собственных полупроводниках при достаточности тепловой энергии решетки или в результате внешнего энергетического воздействия электрон(ы) перейдет(ут) из валентной зоны

(ВЗ) в зону проводимости (ЗП) и станет(ут) свободным(и). Необходимая для этого перехода энергия определяется шириной запрещенной зоны (33) — ΔW полупроводника. С уходом электрона в ЗП в валентной зоне остается свободным энергетиче­ский уровень, называемый дыркой, а сама ВЗ становится не полно­стью заполненной (см рис а).

Таким образом, в кристалле образуется пара свободных носителей заряда — электрон в ЗП и дырка в ВЗ, которые и создают собственную электропроводность полупроводника.

В отсутствие внешнего электрического поля электрон и дырка совершают тепловые хаотические движения в пределах кристалла, а под действием поля осуществляют дополнительно направленное движение —

дрейф, обусловливая тем самым электрический ток.

Электропроводность примесных полупроводников.

В примесных полупроводниках атомы примеси либо поставляют электроны в ЗП полупроводника, либо принимают их с уровней ВЗ. Эти переходы электронов осуществляются при существенно меньших за­тратах энергии, которые требуются электронам для преодоления потенциального барьера в виде 33 полупроводника. Поэтому эти виды переходов в примесных полупроводниках являются основными, домини­рующими над переходом электронов из ВЗ в ЗП

.

Атомы примеси, размещаясь в запрещенной зоне полупроводни­ка, создают в пределах этой зоны дискретные энергетические уровни либо у нижнего ее края вблизи к ВЗ, либо — у верхнего, вблизи к ЗП (см. рис. б, в).

Виды примесей.

Примесь в зависимости от ее влияния на тип электропроводно­сти полупроводникового материала различают: акцепторную, донорную, амфотерную.

Акцепторная примесь. Если энергетические уровни атомов приме­си находятся в 33 вблизи ВЗ, то при тепловом или световом воздей­ствии на материал энергией, равной или большей ΔW

a (см. рис. б), но меньшей, чем ΔW 33, электроны из ВЗ полупроводника будут забрасываться на свободные уровни примеси (см. табл.), в результате чего в ВЗ образуются дырки. Ввиду разобщенности атомов примеси электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в электрическом токе. Поэтому концентрация дырок в ВЗ станет во много раз больше, чем концентрация электронов в ЗП. Электропро­водность в данном случае будет дырочная, полупроводник р-типа (позитив — положительный), а примесь — акцепторная (акцептор — принимающий). В полупроводнике с элек­тропроводностью р-типа дырки называют основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

Донорная примесь. Если уровни примеси располагаются в 33 у края ЗП полупроводника, то электроны с этих уровней будут перехо­дить в ЗП при энергии, равной или большей ΔW_д (см. рис. в), но меньшей, чем ширина ΔW 33 собственного полупроводника (см. табл.). Дырки, возникшие на энергетических уровнях примесных атомов, отдатенных друг от друга на значительные расстояния, оста­ются локализованными и не могут участвовать в электропроводно­сти. Поэтому концентрация электронов в

ЗП наблюдается во много раз больше, чем концентрация дырок в ВЗ полупроводника. В этом случае электропроводность будет электронная, полупроводник п-типа (негатив — отрицательный), а примесь — донорная (донор — даюший). В полупроводнике с электропроводностью n-типа электро­ны считаются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.

Примесные уровни в германии и кремнии.

Примесь	Акцептор или донор	Энергия активации дырок ΔWа и электронов ΔWд, эВ
		Германий	Кремний
В	A	0,0104	0,045
Аl	A	0,0102	0,057
Ga	A	0,0108	0,065
In	A	0,0112	0,160
Tl	A	—	0,025
Р	D	0,0120	0,044
As	D	0,0127	0,049
Sb	D	0,0096	0,039
Bi	D	—	0,069
Li	D	0,0093	0,033
Zn	A	0,0300; 0,0900	0,092; 0,300
Cd	A	0,0500; 0,1600	—
Mn	A D или А	0,1600 0,3700	—
Ni	A D или А	0,2200 0,3000	—
Co	A D или А	0,2500 0,3100	—
Fe	D D или А	0,3500 0,2700	—
Cu	A D или А	0,0400; 0,3300 0,2600	—
Pt	A D или А	0,0400; 0,2500 0,2000	—
Au	D A D или А	0,0500 0,1500; 0,0400 0,2000	0,390 0,300

Амфотерная примесь может играть роль акцепторов и доноров. Созданные ею в 33 дополнительные энергетические уровни, как правило, лежат далеко от дна ЗП и от потолка ВЗ и называются глу­бокими.

Оптические системы связи

Оптические системы связи

Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ.— М.: Радио и связь, 1989. — 504 с. В книге английского специалиста достаточно полно изложены все вопросы, относящиеся к оптическим системам передачи информации. Приведена обобщенная схема оптического канала, даны основные характеристики существующих излучателей и фотоприемников, а также классификация цифровых оптических систем связи в зависимости от их пропускной способности. Рассмотрены особенности распространения света и механизмы потерь в оптических волокнах. Описаны методы изготовления оптических волокон. Рассмотрены принцип действия и основные характеристики полупроводниковых лазеров и фотоприемников различных типов. Для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами оптической связи, будет полезна студентам вузов. Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ 1.2. ИЗМЕРЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ИНФОРМАЦИИ И ИНФОРМАЦИОННАЯ ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ КАНАЛА СВЯЗИ 1.3. АРХИТЕКТУРА СИСТЕМ СВЯЗИ 1.4. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ 2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ 2.1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ НА ОСНОВЕ ЛУЧЕВОЙ МОДЕЛИ 2.1.2. Ступенчатое волокно: числовая апертура и межмодовая дисперсия 2.1.3. Распространение света и межмодовая дисперсия в градиентных волокнах 2.2. МАТЕРИАЛЬНАЯ ДИСПЕРСИЯ 2.2.1. Показатель преломления объемной среды: теория 2.2.2. Показатель преломления материала: экспериментальные значения 2. 2.3. Временная дисперсия в объемной среде 2.3. СОВМЕСТНОЕ ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСИИ МАТЕРИАЛА И МЕЖМОДОВОЙ ДИСПЕРСИИ 2.4. СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКАЯ ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСОВ И ПЕРЕДАТОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЛОКНА 2.4.2. Передаточная характеристика волокна 2.4.3. Общая среднеквадратическая длительность импульсов 3. ПОТЕРИ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ 3.1.2. Поглощение 3.1.3. Рассеяние 3.2. ВЛИЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ 3.3. ОПТИМАЛЬНАЯ ДЛИНА ВОЛНЫ ДЛЯ КВАРЦЕВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН 3.4. ПЛАСТМАССОВЫЕ ВОЛОКНА И КВАРЦЕВЫЕ ВОЛОКНА С ПОЛИМЕРНОЙ ОБОЛОЧКОЙ 4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ КВАРЦЕВЫХ ВОЛОКОН И КАБЕЛЕЙ И ИЗМЕРЕНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК 4.2. ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ 4.3. СОЕДИНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН И СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 4.4. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА 4.5. СРАВНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОННЫХ ЛИНИЙ С ОБЫЧНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЛИНИЯМИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В СТУПЕНЧАТЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ 5.2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ МОД В ИДЕАЛЬНОМ СТУПЕНЧАТОМ ВОЛОКНЕ 5. 3. СЛАБО НАПРАВЛЯЮЩИЕ ВОЛОКНА 5.4. ВРЕМЕННАЯ ДИСПЕРСИЯ В СТУПЕНЧАТЫХ ВОЛОКНАХ 5.5. ОДНОМОДОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА 6. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ГРАДИЕНТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ 6.1.2. Приближенное решение 6.1.3. Число мод распространения 6.1.4. Изменение постоянной распространения 6.2. ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ ПРИБЛИЖЕНИЯ ВЕНЦЕЛЯ — КРАМЕРСА — БРИЛЛЮЭНА И ЛУЧЕВОЙ МОДЕЛИ 6.3. МЕЖМОДОВАЯ ДИСПЕРСИЯ В ГРАДИЕНТНЫХ ВОЛОКНАХ 6.3.2. Межмодовая дисперсия с учетом материальной дисперсии 6.4. ВНУТРИАЮДОВАЯ ДИСПЕРСИЯ В ГРАДИЕНТНЫХ ВОЛОКНАХ 6.5. ОБЩАЯ ДИСПЕРСИЯ В ГРАДИЕНТНЫХ ВОЛОКНАХ 6.6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОД 7. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ 7.2. СОБСТВЕННЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ 7.2.2. Примесные полупроводники 7.3. p-n-ПЕРЕХОД 7.3.1. p-n-переход в равновесии 7.3.2. Смещенный p-n-переход 7.4. РЕКОМБИНАЦИЯ И ДИФФУЗИЯ НОСИТЕЛЕЙ 7.5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНЖЕКЦИИ 7.6. ОБЕДНЕННЫЙ СЛОЙ 7.7. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА p-n-ПЕРЕХОДА 8. ИНЖЕКЦИОННАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ 8.2. СПЕКТРЫ РЕКОМБИНАЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 8.3. ПРЯМОЗОННЫЕ И НЕПРЯМОЗОННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ 8.4. ВНУТРЕННЯЯ КВАНТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 8.5. ВНЕШНЯЯ КВАНТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 8.6. КОНСТРУКЦИИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ 8.7. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ 9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР 9.1.2. Полезные свойства гетеропереходов 9.1.3. Эффективность инжекции 9.1.4. Характеристики гетеропереходов 9.2. ДВОЙНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА 9.2.2. Ширина полосы модуляции 9.3. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ НА ОСНОВЕ ДВОЙНОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ 9.4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР 10. РАБОТА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА 10.1.2. Условия работы лазера 10.2. ОПТИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ 10.2.2. Скорости спонтанного и индуцированного излучения 10.2.3. Влияние показателя преломления 10.2.4. Расчет коэффициента усиления 10.2.5. Отношение коэффициента усиления к плотности тока 10.2.6. Конкретизация. Упрощения. Рабочие примеры 10.2.7. Полуэмпирический анализ 10.3. ЛАЗЕРНЫЙ ПОРОГ 10.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ 11. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ 11.1. ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛОСКОВЫХ И ЗАРОЩЕННЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ ЛАЗЕРОВ 11.2.2. Спектральные характеристики 11.2.3. Ватт-амперные и вольт-амперные характеристики 11.2.4. Частотные характеристики 11.3. ИСТОЧНИКИ ДЛИННОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 11.4. НАДЕЖНОСТЬ СВЕТОДИОДОВ И ЛАЗЕРОВ НА ОСНОВЕ ДВОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР 12. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ р-i-n-ФОТОДИОДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ 12.2. СОБСТВЕННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ 12.3. КВАНТОВЫЙ ВЫХОД 12.4. МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ р-i-n-ФОТОДИОДОВ 12.4.3. Гетеростру ктурные диоды и диоды с барьером Шотки 12.4.4. Фотодиоды для длинноволнового диапазона 12.5. ИМПУЛЬСНЫЕ И ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ p-i-n-ФОТОДИОДОВ 12.6. ШУМ p-i-n-ФОТОДИОДОВ 13. ЛАВИННЫЕ ФОТОДИОДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ 13.2. УСТРОЙСТВО ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ 13.3. ШИРИНА ПРОПУСКАНИЯ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ 13. 4. ШУМ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ 14. УСИЛИТЕЛЬ ПРИЕМНИКА ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 14.2. ИСТОЧНИКИ ШУМА В ОПТИЧЕСКОМ ПРИЕМНИКЕ 14.3. СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ И ИХ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА 14.4. СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ 14.4.3. Усилитель с высоким входным сопротивлением, или интегрирующий усилитель 14.4.4. Усилитель с низким входным сопротивлением 14.4.5. Точное решение для тока фотодиода 14.5. УСИЛИТЕЛЬ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ, ИЛИ ТРАНСИМПЕДАНСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 14.6. ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР 15. РЕГЕНЕРАЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ 15.1. ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ОШИБОК ПРИ РЕГЕНЕРАЦИИ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ 15.1.3. Характеристики фильтра, минимизирующего межсимвольные помехи 15.1.4. Глаз-диаграмма 15.2. КВАНТОВЫЙ ПРЕДЕЛ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ 15.3. ВЛИЯНИЕ ШУМОВ УСИЛИТЕЛЯ И ТЕПЛОВЫХ ШУМОВ НА ВЕРОЯТНОСТЬ ОШИБОК 15.3.2. Вероятность ошибок для случая, когда усиленный дробовой шум соизмерим с шумом от других источников 15.3.3. Оптимизация оптической системы связи 15.4. ШТРАФ ЗА ШУМ В ПРАКТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ 16. ОТКРЫТЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ 16.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАЧИ 16.2.2. Затухание оптического излучения в атмосфере 16.3. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ 16.3.3. Лазерные источники излучения на углекислом газе 16.4. ФОТОДЕТЕКТОРЫ 16.4.3. Фотодетекторы для более длинных волн 16.4.4. Использование гетеродинного детектирования 16.5. ПРИМЕРЫ ОТКРЫТЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ 16.5.2. Перспективная оптическая система для связи в ближнем космосе 17. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ 17.2. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ 17.2.2. Связь на большие расстояния 17.2.3. Услуги местного распределения 17.2.4. Телеметрия и локальная передача данных 17.3. ЦИФРОВЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ 17.4. АНАЛОГОВЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ 17.4.2. Прямая модуляция по интенсивности в полосе спектра модулирующего сигнала 17.4.3. Использование частотно-модулированной поднесущей 17.5. ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛС В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ 17. 6. ГОРОДСКИЕ СЕТИ СВЯЗИ ПРИЛОЖЕНИЕ 1. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА ДЛЯ ИЗОТРОПНОЙ СРЕДЫ В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КООРДИНАТАХ ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ГРАДИЕНТНОМ ВОЛОКНЕ: ПРИБЛИЖЕНИЕ ВКБ (ВЕНЦЕЛЯ КРАМЕРСА, БРИЛЛЮЭНА) ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ТРАЕКТОРИИ ЛУЧЕЙ В ГРАДИЕНТНОМ ВОЛОКНЕ ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РАДИОМЕТРИЯ И ФОТОМЕТРИЯ ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ СВЯЗИ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ С ВОЛОКНОМ ПРИЛОЖЕНИЕ 6. ВЫВОД ФОРМУЛЫ ДЛЯ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА [ВЫРАЖЕНИЕ (11.2.5)] ПРИЛОЖЕНИЕ 7. ИМПУЛЬСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЛЬТРА С АНТИСИММЕТРИЧНОЙ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Внутренние полупроводники и внешние полупроводники

Полупроводниковое вещество обладает электрическим свойством, которое находится между изолятором и проводником. Si и Ge — лучшие образцы полупроводников. Существует два типа полупроводников: собственные полупроводники и внешние полупроводники (p-типа и n-типа). Внутренний тип полупроводника чистый, но экстенсивный тип содержит примеси, делающие его проводящим. При температуре окружающей среды собственная проводимость будет нулевой, а внешняя проводимость будет минимальной. В этой статье с диаграммами легирования и энергетических зон представлен обзор собственных и внешних полупроводников.

Собственный полупроводник

Собственный полупроводник — это чрезвычайно чистый полупроводник. Согласно зонной теории, проводимость этого полупроводника будет равна нулю при температуре окружающей среды. Si и Ge являются двумя примерами собственных полупроводников.

• На приведенной ниже диаграмме энергетических зон зона проводимости пуста, но валентная зона полностью заполнена. Некоторое количество тепловой энергии может быть передано ему после повышения температуры. В результате выхода из валентной зоны электроны из валентной зоны передаются в зону проводимости.

• Поток электронов будет случайным по мере их перехода из валентной зоны в зону проводимости. Отверстия кристалла также могут свободно течь в любом направлении.
• В результате ТКС этого полупроводника будет отрицательным (температурный коэффициент сопротивления). TCR показывает, что при повышении температуры сопротивление материала уменьшается, а его проводимость увеличивается.

Внешние полупроводники

Внешние полупроводники — это полупроводники, в которые были введены примеси с регулируемой скоростью, чтобы сделать их проводящими.

• В то время как изоляционные материалы могут быть легированы для превращения их в полупроводники, собственные полупроводники также могут быть легированы для получения внешнего полупроводника.
• Примесные полупроводники делятся на две категории в результате легирования: атомы с дополнительным электроном (n-тип для отрицательного, из группы V) и атомы с одним меньшим электроном (p-тип для положительного, из группы III).
• Легирование – это целенаправленное введение примесей в очень чистый или собственный полупроводник с целью изменения его электрических характеристик. Тип полупроводника определяет примеси. Внешние полупроводники — это те, которые легированы от легкой до умеренной.

Что такое допинг?

Легирование — это процесс введения примеси в полупроводник. При производстве полупроводников с примесями необходимо тщательно контролировать количество и вид примесей, которые должны быть введены в материал. В большинстве случаев на каждые 10 ⁸ атомов полупроводника вводится один атом примеси.

Примесь используется для увеличения количества свободных электронов или дырок в полупроводниковом кристалле, что делает его более проводящим. Значительное количество свободных электронов будет существовать, если в чистый полупроводник ввести пятивалентную примесь с пятью валентными электронами. В полупроводнике будет существовать значительное количество дырок, если ввести трехвалентную примесь с тремя валентными электронами. Внешние полупроводники делятся на две категории в зависимости от типа добавленных примесей: полупроводники N-типа и P-типа.

Полупроводники n-типа

Полупроводники N-типа представляют собой внешние полупроводники, в которых атомы легирующих примесей могут обеспечивать дополнительные электроны проводимости основному материалу (например, фосфору в кремнии).

В результате возникает переизбыток отрицательных (n-типа) электронных носителей заряда. Легирующие атомы часто содержат на один валентный электрон больше, чем атомы-хозяева. Замещение атомов в твердых телах IV группы элементами V группы является наиболее типичным случаем. Когда носитель включает много типов атомов, проблема усложняется. Кремний, например, может действовать как донор, когда он заменяет галлий, или как акцептор, когда он заменяет мышьяк в полупроводниках AIIIBV, таких как арсенид галлия. У некоторых доноров меньше валентных электронов, чем у хозяина, например щелочные металлы, которые являются донорами в большинстве твердых тел.

Полупроводники p-типа

Для увеличения количества свободных носителей заряда полупроводник p-типа (p означает «положительный») формируется путем добавления в полупроводник атома определенного типа.

Легирующее вещество удаляет (принимает) слабо связанные внешние электроны с атомов полупроводника при его введении. Вакансия, оставленная электроном, известна как дырка, и этот вид легирующего агента также известен как акцепторное вещество. Целью легирования p-типа является получение большого количества отверстий.

В случае кремния кристаллическая решетка заменена трехвалентным атомом. В результате одной из четырех ковалентных связей, обычно образующих решетку кремния, не хватает электрона. В результате атом легирующей примеси может принять электрон от ковалентной связи соседнего атома, чтобы завершить четвертую связь. Акцепторы — это название, данное этим примесям из-за этого.

Когда атом легирующей примеси принимает электрон, соседний атом теряет половину своей связи, что приводит к образованию дырки. Каждая дырка связана с соседним отрицательно заряженным ионом легирующей примеси, в результате чего получается электрически нейтральный полупроводник. Как только каждая дырка уйдет в решетку, один протон в атоме на месте дырки будет «обнажен», то есть он больше не будет нейтрализоваться электроном. Этот атом будет содержать три электрона и одну дырку в ядре, которое будет иметь четыре протона.

В результате дырка ведет себя как положительный заряд. Когда поступает достаточно большое количество акцепторных атомов, термически возбужденных электронов значительно меньше, чем дырок. В материалах p-типа дырки являются основными носителями, тогда как электроны являются неосновными носителями.

Разница между собственными и внешними полупроводниками

Ниже приведены некоторые ключевые различия между внешними и собственными полупроводниками:

• Собственные полупроводники всегда существуют в чистом виде, в то время как внешние полупроводники создаются путем добавления примесей в чистые полупроводники.
• При комнатной температуре собственные полупроводники имеют плохую электропроводность, в то время как внешние полупроводники обладают высокой электропроводностью по сравнению с другими материалами.
• Количество электронов равно количеству дырок во внутренних полупроводниках, в то время как во внешних полупроводниках их количество не равно.
• Внутренние полупроводники зависят исключительно от температуры, в то время как внешние полупроводники зависят от температуры и количества присутствующих загрязняющих веществ.
• Собственные полупроводники далее не классифицируются, в то время как полупроводники N-типа и p-типа являются двумя типами полупроводников во внешних полупроводниках.
• Кремний и германий являются двумя примерами собственных полупроводников, тогда как Si и Ge, легированные Al, In, P, As и другими элементами, являются примерами внешних полупроводников.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Что такое полупроводник n-типа?

Ответ:

Когда четырехвалентный элемент, такой как кремний или германий, легируется пятивалентным элементом, таким как мышьяк (As) или сурьма, в результате получается полупроводник n-типа (Sb). Таким образом, в кристаллической решетке один атом пятивалентного элемента занимает место атома четырехвалентного элемента.

Все пять электронов пятивалентного атома устанавливают прочные связи со своими четырехвалентными соседями, а пятый электрон создает слабую связь со своим родительским элементом после завершения процесса легирования. Для ионизации пятого электрона требуется относительно небольшое количество энергии. Хотя он находится в кристаллической структуре четырехвалентного элемента, пятый электрон также может свободно перемещаться даже при комнатной температуре.

Вопрос 2: Что такое полупроводник P-типа?

Ответ:

Когда четырехвалентный элемент, такой как кремний или германий, легируется трехвалентным элементом, таким как алюминий (Al), индий (In) и т. д., получается полупроводник P-типа. . После легирования три из четырех электронов четырехвалентного элемента устанавливают ковалентную связь с тремя электронами трехвалентного элемента. Существует дефицит одного электрона, и в результате у четвертого электрона нет электрона, с которым можно было бы связаться.

В результате образуется пустота или дыра, которую необходимо заполнить. В результате электрон на внешней орбите соседнего атома имеет шанс перепрыгнуть и заполнить пустоту. Таким образом, один электрон удаляется из системы, оставляя вместо него пустоту или дырку. Тогда проводимость может происходить через отверстие.

Вопрос 3: Каков результат легирования металлического германия небольшим количеством индия?

Ответ:

Полупроводники P-типа изготавливаются из примесей германия, в состав которых входит индий. Примеси трехвалентной природы могут быть добавлены к германию для получения материала P-типа. Их называют акцепторными примесями, потому что они трехвалентны.

Вопрос 4: Как называется чистый полупроводниковый кристалл, в котором протекает ток за счет разрыва кристаллических связей?

Ответ:

Таковыми называются чисто чистые полупроводники. В зоне проводимости столько же электронов, сколько и дырок, и наоборот. Помимо того, что они называются собственными полупроводниками, нелегированные полупроводники и полупроводники i-го типа являются другими названиями собственных полупроводников.

Вопрос 5: В какой из следующих ситуаций дырки составляют большую часть тока?

Ответ:

Основную часть носителей заряда в примесных полупроводниках p-типа составляют дырки, которые являются аморфными полупроводниками. Их называют акцепторными примесями, потому что они трехвалентны. Неосновными носителями заряда в полупроводниках р-типа являются электроны.

Разница между собственными и внешними полупроводниками

Серия испытаний

Автор: Айна Парашер|Обновлено: 25 мая 2022 г. Наиболее известными полупроводниками являются Si и Ge. Полупроводники делятся на два типа: собственные полупроводники и внешние полупроводники (p-типа и n-типа). Основное различие между внутренними и внешними полупроводниками заключается в том, что в собственных полупроводниках полупроводник находится в самой чистой форме, тогда как во внешних полупроводниках этого не происходит.

Собственный полупроводник чистый, в то время как расширенный полупроводник содержит примеси, делающие его проводящим. При комнатной температуре собственная проводимость равна нулю, а внешняя проводимость довольно низка. В этой статье представлен обзор собственных и внешних полупроводников с использованием диаграмм легирования и энергетических зон, а также различия между собственными и внешними полупроводниками.

Скачать Electronic Devices Formula Notes PDF

Содержание

• 1. Разница между собственными и внешними полупроводниками
• 2. Что такое собственные полупроводники?
• 3. Что такое внешний полупроводник?

Читать статью полностью

Разница между собственными и внешними полупроводниками

В таблице ниже представлены различия между собственными и внешними полупроводниками.

Ключевые различия между собственными и внешними полупроводниками

Внутренние полупроводники	Внешние полупроводники
Полупроводники в чистом виде.	Полупроводник в нечистом виде.
Обладает низкой проводимостью.	Обладает более высокой проводимостью, чем собственный полупроводник.
Ширина запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной достаточно мала.	Энергетическая щель больше, чем у собственного полупроводника.
Уровень Ферми находится в запрещенной энергетической зоне.	Наличие уровня Ферми зависит от типа внешнего полупроводника.
Только температура определяет электрическую проводимость.	Электропроводность в чистом полупроводнике зависит от температуры, а также от количества легирующих примесей.
Чистый кремний и кристаллические формы германия являются примерами.	Примеси As, Sb, P, In, Bi, Al и др. легированы атомами германия и кремния.

Что такое собственный полупроводник?

Собственный полупроводник изготовлен из чрезвычайно чистого полупроводникового материала, поэтому их часто называют чистыми полупроводниками. Это принципиально нелегированные полупроводники без легированных примесей. Собственные полупроводники практически не имеют проводимости при температуре окружающей среды. Потому что никакой другой элемент не присутствует в его кристаллической форме.

Собственные полупроводники практически не имеют проводимости при температуре окружающей среды. Потому что никакой другой элемент не присутствует в его кристаллической форме. Элементы группы IV периодической таблицы объединяются, чтобы создать собственный полупроводник. Однако чаще всего используются кремний и германий. Это связано с тем, что в их случае для разрыва ковалентной связи требуется лишь минимальное количество энергии.

Что такое внешний полупроводник?

Внешние полупроводники — это те, в которые примеси подавались с контролируемой скоростью, чтобы сделать их проводящими. В то время как изоляционные материалы могут быть легированы для образования полупроводников, собственные полупроводники также могут быть легированы для образования внешних полупроводников. Они, естественно, чрезвычайно проводящие. С другой стороны, внешние полупроводники бывают двух типов: полупроводники p-типа и n-типа.

Стоит отметить, что тип элемента, легированного в чистый полупроводник, определяет классификацию примесного полупроводника. Путем введения элементов группы III или трехвалентных примесей в чистые полупроводники создаются полупроводники р-типа. Поскольку трехвалентная примесь содержит всего три электрона в своей валентной оболочке, она также известна как акцепторная примесь. Добавление элементов группы V или пятивалентных примесей в чистый полупроводник дает полупроводники n-типа. Поскольку пятивалентная примесь имеет 5 электронов в своей валентной оболочке, они известны как донорные примеси.

Ознакомьтесь с некоторыми важными темами, связанными с разницей между собственными и внешними полупроводниками, в таблице ниже:

Часто задаваемые вопросы о различиях между собственными и внешними полупроводниками

• В чем основное различие между собственными и внешними полупроводниками?

  Основное различие между собственными и внешними полупроводниками заключается в том, что собственные полупроводники являются чистыми полупроводниковыми материалами. Внешние полупроводники, с другой стороны, представляют собой нечистые полупроводники, образованные путем добавления примеси в чистый полупроводник.

• В чем разница между собственными и внешними полупроводниками с точки зрения легирования?

  С точки зрения легирования, разница между собственными и внешними полупроводниками заключается в том, что добавление примеси в чистый полупроводник не происходит в собственном полупроводнике, а внешний полупроводник образуется путем легирования примесей в чистом полупроводнике.

• В чем разница между собственными и внешними полупроводниками с точки зрения проводимости?

  Основываясь на проводимости, разница между собственными и внешними полупроводниками заключается в том, что проводимость собственного полупроводника действительно зависит от температуры. С другой стороны, проводимость внешнего полупроводника зависит от температуры и концентрации примесей.

• Что такое собственный полупроводник?

  Собственный полупроводник — это очень чистый полупроводник. Согласно теории энергетических зон проводимость этого полупроводника будет равна нулю при комнатной температуре. Двумя примерами собственных полупроводников являются Si и Ge.

• Что такое внешний полупроводник?

  Внешние полупроводники — это те, в которые примеси подавались с контролируемой скоростью, чтобы сделать их проводящими. В то время как изоляционные материалы могут быть легированы для образования полупроводников, собственные полупроводники также могут быть легированы для образования внешних полупроводников.