Site Loader

Содержание

Собственные и примесные полупроводники — Справочник химика 21

    ЧИСЛО возможных уровней в зоне ровно в два раза больше, чем число электронов, вследствие чего она является зоной проводимости. Этим объясняется также высокая электрическая проводимость этих металлов. Существует несколько основных типов взаимного расположения энергетических зон (рис. А.62), соответствующих изолятору, одновалентному металлу, двухвалентному металлу, полупроводнику с собственной проводимостью, примесному полупроводнику и-типа и примесному полупроводнику р-типа. Соотношение энергетических зон (рис. А.62) определяет также тип проводимости твердого тела. [c.142]
    Примесные полупроводники п-типа (рис. А.62,5). При внесении в собственный полупроводник посторонних атомов, способных быть донорами электронов, возникающие примесные энергетические термы находятся вблизи зоны проводимости L. Переход электронов в зону проводимости L требует лишь незначительных затрат энергии.
[c.142]

    Рассмотренное строение двойного слоя характерно для собственных полупроводников, в которых нет ни объемных примесей (добавок), ни так называемых поверхностных состояний, обусловленных чаще всего адсорбцией чужеродных атомов. Часто полупроводник в качестве примеси содержит атомы такого вещества, благодаря которому резко увеличивается число свободных электронов п. Такие добавки называются донорами электронов. Для германия такой добавкой служит мышьяк. Поскольку произведение пр в присутствии доноров электронов остается постоянным [уравнение (28.3)1, то увеличение п приводит к соответствующему уменьшению числа дырок р—=К 1п. Поэтому проводимость таких примесных полупроводников п-типа осуществляется в основном за счет свободных электронов в зоне проводимости. Если же атомы примеси резко увеличивают число дырок в валентной зоне, то растет дырочная проводимость и соответственно уменьшается число свободных электронов п = Кз/р- Такого рода примеси называются акцепторами электронов, а полупроводники с дырочной проводимостью — полупроводниками /7-типа.

Акцепторами электрона для германия служат атомы галлия. В присутствии примесей соотношение (28.2) в объеме полупроводника уже не остается справедливым. Вместо него следует записать 
[c.141]

    Варьируя химическую природу и концентрацию вводимых примесей, можно изготовить полупроводник с заданной электрической проводимостью и заданным характером носителей тока электронов (/1-полупроводник) или дырок (р-полупроводник). Существует правило, согласно которому для получения примесного полупроводника с заданным характером проводимости необходимо, чтобы концентрация в нем собственных носителей тока [c.340]

    Эта формула также основана на предположении, что концентрация дырок в примесном полупроводнике много больше, чем в собственном. [c.128]

    На рнс. 32 изображен график температурной зависимости концентрации основных носителей заряда в примесном полупроводнике. Отрезок аб, соответствующий очень низким температурам, имеет тангенс угла наклона, равный энергии активации примесей отрезок бв проходит в той области температур, где почти все атомы примеси ионизованы, а концентрация собственных носителей еще мала отрезок вг имеет тангенс угла наклона, равный ширине запрещенной зоны и проходит в области высоких температур, где 

[c. 134]


    Итак, если не рассматривать область низких температур (О—100° К), можно утверждать, что при повышении температуры удельная проводимость собственных полупроводников возрастает, а удельная проводимость примесных полупроводников падает. 
[c.136]

    Помимо полупроводников описанного типа, которые обладают собственной проводимостью, имеются также так называемые примесные полупроводники. Роль примеси состоит в том, что она создает уровни внутри запрещенной зоны, благодаря чему оказываются возможными электронные переходы с энергией меньшей, чем ширина зоны. Примесь может быть [c.179]

    В примесном полупроводнике, как следует из рис. 104, при достаточно высоких температурах проводимость полупроводника является собственной, а при низких температурах — примесной. В области истощения примеси концентрация основных носителей остается постоянной и проводимость меняется вследствие изменения подвижности с температурой.

[c.252]

    Первое слагаемое выражает собственную проводимость, а второе —примесную проводимость полупроводника. При низкой температуре преобладает второй член, так как АЕ больще Проявляться собственная проводимость, а примесная теряет значение. Чем больще АЕ, тем выше должна быть температура, при которой в примесном полупроводнике станет преобладать собственная проводимость. Так, в примесном кремнии собственная проводимость проявляется при более высокой температуре, чем в примесном германии, потому что Д з1= 1,12 эВ, а = 0,72 эВ при комнатной температуре. Поэтому рабочая температура германиевых приборов не превыщает 60— 80° С, а кремниевые приборы могут работать до 200° С. Надо иметь в виду, что возникновение собственной проводимости, достигающей известной доли примесной, в примесном полупроводнике нарушает режим работы приборов. 

[c.304]

    Более подробный анализ зонной структуры кремния и германия показывает, что уровни энергии, обусловленные примесями, не полностью абсорбируются в структуру зом Бриллюэна чистого кристалла.

Скорее, они представляют собой локализованные примесные уровни, которые расположены или чуть выше уровня Ферми чистого кристалла (для примесей элементов третьей группы), или чуть ниже дна зоны проводимости чистого кристалла (для примесей элементов пятой группы). Это показано схематически на рис. 10.16. Именно термическое возбуждение электронов на или с этих примесных уровней обусловливает проводимость, и, следовательно, примесные полупроводники имеют такую же температурную зависимость проводимости, как и собственные полупроводники. [c.237]

    Здесь мы рассматривали собственные полупроводники, т. е. чистые вещества, которые являются полупроводниками. В разд. 19.23 обсуждаются примесные полупроводники. 

[c.590]

    СОБСТВЕННЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ [c.592]

    Сформулируем различия между собственными и примесными полупроводниками. [c.80]

    Уровень проводимости примесных полупроводников. может точно определяться концентрацией вводимой примеси. Это используют при синтезе материалов с определенным уровнем проводимости. Что касается собственных полупроводников, то уровень нх проводимости существенно зависит от температуры и наличия случайных примесей. 

[c.80]

    В собственных полупроводниках возможны значительные эффекты при условии, что концентрация носителей тока мала по сравнению со значениями Ю —10 , приведенными выще. В зависимости от того, преобладает донорный или акцепторный тип дефекта, переход может привести к образованию примесного полупроводника п- или р-типа. [c.217]

    При отсутствии ловушек данные, приведенные в табл. 12, можно сравнить с концентрациями носителей тока в твердых веществах различного типа, не подвергавшихся радиации. В собственных полупроводниках эта концентрация едва превышает 10 г в очень чистом германии, например, она равна 2,5-Ю з. В примесных полупроводниках концентрация главных носителей тока обычно составляет 10 —10 тогда как соответствующая величина для второстепенных носителей тока обычно гораздо меньше и может равняться 10 .

Если интенсивность радиации не очень высока, то при отсутствии ловушек влияние радиации на число носителей тока может стать значительным только в случае примесных полупроводников в других случаях изменяется лишь концентрация второстепенных носителей тока. [c.220]

    Беременные эффекты заключаются в основном в создании возбужденных электронных состояний и, в частности, свободных носителей тока. Можно показать, что в случае изоляторов свойства, связанные с концентрацией свободных носителей тока, могут подвергаться значительным изменениям. В случае примесных полупроводников изменяются только свойства, зависящие от концентрации второстепенных носителей тока, если интенсивность радиации не очень высока. Наконец, свойства, зависящие от концентрации свободных носителей тока, менее всего изменяются при применении собственных полупроводников. 

[c.221]

    В этом разделе будут последовательно рассмотрены изменения под действием облучения каталитических свойств собственных полупроводников, примесных полупроводников и изоляторов.

Для простоты все электронные возбужденные состояния будут сведены к парам свободных носителей тока. [c.230]


    Собственные полупроводники. Следует напомнить, что концентрация носителей тока в данном типе полупроводников сравнительно мала (от 10 ° до 10 ). Как было показано выше, для того чтобы заметно изменить концентрацию носителей тока, содержащегося в количестве 10 (случай германия), требуются интенсивности 10 —10 эе се/с-> в зависимости от продолжительности жизни этих носителей. Следует подчеркнуть, что создание пар носителей тока не изменяет характера собственного полупроводника. Напротив, дефекты решетки, если только они активны, могут вызвать такие изменения полупроводника, в результате которых он станет примесным полупроводником. В зависимости от природы и интенсивности радиации преобладающую роль играет один из этих типов нарушений, что проявляется в соответствующем различии каталитических свойств твердого тела. Если преобладают электронные дефекты, то в благоприятных случаях наблюдается лишь слабое увеличение числа положительных и отрицательных носителей тока. И как следствие этого, разница, если она вообще имеется, между каталитическими свойствами при облучении и без облучения может быть только количественной. Если, напротив, изменения обязаны преобладанию дефектов решетки, то могут возникнуть не только количественные различия, но также и качественные. В этом случае эффекты активации при облучении практически идентичны с эффектами, наблюдаемыми для активации в условиях предварительного облучения, за исключением случая, когда дефекты решетки, возникшие под действием облучения, находятся сами в возбужденном состоянии или влияют на время рекомбинации носителей тока. [c.230]

    Полупроводник с энергетическим спектром, подобным изображенному на рис. 1.10, а, называется собственным. Гораздо более распространены, однако, примесные полупроводники. Для них характерен значительный разрыв между зоной проводимости и валентной зоной, так что, если бы они обладали идеальной кристаллической решеткой, они вели бы себя как изоляторы. Атомная структура примесного проводника нарушена либо присутствием посторонних примесей, либо в результате отклонения состава кристалла от стехиометрического. Дефекты кристаллической решетки вызывают появление в электронном [c.26]

    Различают два рода примесей — донорные и акцепторные. Донорным примесям соответствуют локальные примесные уровни, находящиеся близ дна зоны проводимости (уровень D, рис. L10, б). С этих уровней электроны могут сравнительно легко переходить в зону проводимости, становясь свободными носителями тока. Акцепторные примеси вызывают появление локальных энергетических уровней близ верхнего края валентной зоны (уровень Л, рис. 1.10, в). При переходе электрона из валентной зоны на акцепторный уровень образуется свободная дырка в валентной зоне. В отличие от собственных, у примесных полупроводников концентрации свободных электронов и дырок, очевидно, могут не совпадать. В примесном полупроводнике, содержащем преимущественно донорные уровни, не  [c. 26]

    Авторы электронных теорий хемосорбции и катализа на полупроводниках до сих пор рассматривали только процессы на примесных полупроводниках. Однако при температурах, привычных для промышленного катализа, полупроводниковые катализаторы часто находятся в области собственной проводимости . Мы встретились с этим обстоятельством, изучая каталитические свойства бинарных изоэлектронных аналогов германия и кремния. Для большинства из них заметное разложение изопропилового спирта и дегидрирование циклогексана начинается в области собственной проводимости. Заметим также, что действие исходных [c.12]

    В случае примесных полупроводников, пока содержание примесных атомов невелико, остаются в силе основные соотношения, полученные для собственно полупроводников. С ростом содержания примесей поведение системы полупроводник— раствор уже не может быть описано приведенными уравнениями и зависит от природы примесных атомов. Так, в пределе для примесного л-полупр6 -водника, особенно ири высокой плотности поверхностных состояний, электрические свойства границы его с раствором приолнжаются к свойствам системы металл — раствор.[c.275]

    Однако реальные полупроводники всегда имеют примеси, которые существенно влияют на характер электрической проводимости, в этом случае называемой примесной. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорные примеси имеют на валентной электронной оболочке большее число электронов, чем их число на валентной электронной оболочке атома основного элемента полупроводника. Например, примеси атомов элементов V или VI главных подгрупп периодической системы в кристаллической решетке кремния (IV главная подгруппа) будут донорными. В зонной структуре полупроводника появляются дополнительные электроны проводимости. Если атом примеси содержит меньше валентных электронов, чем атом основного элемента, то полупроводник содержит в валентной зоне дополнительные свободные МО, на которые могут переходить валентные электроны. Такие примеси называются акцепторными, они приводят к появлению дополнительных дырок проводимости. По отношению к кремнию такими примесями будут элементы III главной подгруппы. Полупроводники с преобладающим содержанием донорных примесей называются полупроводниками с электронной проводимостью или п-типа. Если же преобладают примеси акцепторные, то полупроводники называются полупроводниками с дырочной проводимостью или р-типа. Для получения примесных полупроводников полупроводники, полученные специальными кристаллофизическими методами в сверхчистом состоянии, легируются элементами акцепторами или донорами электронов в микродозах, не превышающих 10 %. Примеси резко изменяют собственную электрическую проводимость полупроводников, поскольку количество носителей заряда, поставляемых ими обычно больше, чем их число в чистом полу-прово,цнике. Так, чистый кремний имеет удельное электрическое сопротивление электронной проводимости около 150-10 Ом-м, дырочной проводимости в.4 раза, электронной проводимости после легирования фосфором и дырочной проводимости после легирования бором — в 20 раз меньше. [c.636]

    Собственные и примесные полупроводники. Полупроводники, проводимость которых обусловлена ионизацией атомов чистого вещества (германия, кремния и т. д.), называются собственными. Полупроводники, у которых основную роль играет ионизация атомов легирующих добавок, называются примесньши. В основе электрических характеристик тех и других лежат химические свойства [c.453]

    Изменить концентрацию носителей тока в полупроводнике можно и дозированным введением в его структуру примесей. При этом, если число валентных электронов у примесных атомов не совпадает с валентностью атомов в кристаллической решетке основного вещества, то в подобном примесном полупроводнике резко возрастает концентрация носителей тока одного вида — электронов или дырок. Например, введение одного атома мышьяка на 100 млн. атомов германия равнозначно появлению в 1 см такого вещеста дополнительных 4,5 10 подвижных электронов. Это в 15—20 раз больше концентрации собственных носителей тока в германии, поэтому перенос тока в таком примесном полупроводнике будет осуществляться главным образом электронами, прлчем его электрическая проводимость возрастает в 5—6 раз.[c.340]

    Отсюда следует, что при рассмотрении процесса генерации — рекомбинации в примесном полупроводнике запрещенную зону можно условно разделить на три области среднюю область и две области, одна из которых прилегает к валентной зоне, а другая — к зоне проводимости (рис. 38). Ширина последних двух областей одинакова и равна расстоянию между уровнем электрохимического потенциала электронов [Хэ и ближайшей к нему зоны (проводимости или валентной). Если энергетический уровень ловушек находится в средней из выделенных областей, то коэффициент рекомбинации имеет максимальное значание и не зависит от положения этого уровня. Когда уровень ловушек находится в одной из крайних областей, коэффициент рекомбинации существенно зависит от положения уровня —При этом, так же как и у собственного полупроводника, скорость процесса уменьшается, по мере приближения уровня —к любой из основных зон (см. рис. 38). [c.144]

    Полупроводниковыми свойствами обладают кремний, германий, селен и ряд других простых веществ, а также химические соединения и интерметаллиды PbS, GaAs, InSb и т. д. Такие вещества называются собственными полупроводниками в отличие от веществ, в которых явление полупроводимости зависит от введенных примесей, — примесные полупроводники. [c.427]

    Германий и кремний, для которых щели между зонами составляют примерно 60 и соответственно 100 кДж-моль являются типичными полупроводниками. Проводимость кремния при 20°С составляет приблизительно 10- Ом-см что лежит между значениями, типичными для хзолятора (10″ Ом см ) и металла (10 Ом-см ). Эти вещества называют собственными полупроводниками, поскольку их проводимость — это свойство чистого элемента. По-видимому, большее значение имеют так называемые примесные полупроводники, служащие основой транзисторов. [c.236]

    Обозначено равновесное межатомное расстояние гц. Масштаб по вертикальной оси произвольный. Слева —схема, поясняющая модель зонной структуры. Л —диэлектрики Б —собственные полупроводники В —примесные полупроводники Г—металлические проводники. J —зона проводимости 3—валентная зона Л —зоны, обусловленные примесими 4—Зр-зоий (зона проводимости) 5 — Зз-зона (валентная зона). [c.135]

    Для примесных полупроводников возможны два случая. Если эффективные дефекты, возникающие под действием облучения, обладают тем же характером (донорным или акцепторным), что и существовавщие до этого дефекты или примеси, т. е. если они изменяют концентрацию основных носителей тока, то эффект облучения будет очень слаб в этом твердом теле. Концентрация нарущений, существовавщих до облучения, часто составляет 10 — 10 8 на 1 г, т. е. она больше, чем концентрация дефектов, получающихся при облучении. Если образованные дефекты оказывают влияние на концентрацию второстепенных носителей тока, то происходят очень значительные изменения в свойствах твердого тела. Действительно, если учесть, что произведение числа электронов проводимости на число дырок постоянно при данной температуре пр = N ), то изменение числа второстепенных носителей тока приведет к одновременному изменению числа главных носителей тока. Поскольку концентрация второстепенных носителей тока может быть очень низка, даже меньше 10 ° г , то возможно, что в противоположность предыдущему случаю эффекты будут значительны для относительно малых доз радиационной энергии могут наблюдаться изменения типа проводимости образца. Например, в случае германия, когда произведение пр равно 6-10 6, акцепторные уровни (вакансии), образующиеся под действием радиации, играют доминирующую роль [70]. После облучения германия -типа возникает большое число дырок в результате концентрация носителей тока п, а следовательно, и проводимость быстро убывают если доза рассеянной энергии достаточна для создания примерно Ю з эффективных акцепторных дефектов, полупроводник становится собственным полупроводником, причем его проводи- [c.217]

    Для поверхностной зоны, возводя эту. величину в степень /д, получаем о = 10 см . В примесной области предэкспоненциальный множитель /Сц, как и энергия активации, будет меньше, чем в собственной. Если принять, что все примеси ионизованы, то в поверхностной зоне (где N — концентрация примесей). Если N = 10 см (минимальная величина для полупроводников, изученных в работе [78]), то = 10 —а разность lg п а 1д о собственных и примесных полупроводников составит величину, равную 4—5, что примерно отвечает интервалу ДlgA o в работе 78]. [c.26]


Собственные и примесные полупроводники — Энциклопедия по машиностроению XXL

Собственные и примесные полупроводники. Как и в металлах, электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда. Но если в металлах наличие свободных электронов обусловлено самой природой металлической связи, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются чистота материала и температура. В зависимости от степени чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные.  [c.267]
Модельные представления механизма образования носителей заряда в собственном и примесных полупроводниках были рассмотрены ранее.[c.271]

ПОЛОЖЕНИЕ УРОВНЯ ФЕРМИ И КОНЦЕНТРАЦИЯ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СОБСТВЕННЫХ И ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ  [c.163]

Рассмотрим теперь отдельно положение уровня Ферми и концентрацию свободных носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках.  [c.163]

В зависимости от влияния примесей на проводимость различают собственные и примесные полупроводники.  [c.334]

Собственные и примесные полупроводники.  [c.50]

Рассмотренные зонные модели собственных и примесных полупроводников являются упрощенными, хотя в большинстве случаев они  [c.54]

Модельные представления механизма образования носителей заряда в собственном и примесном полупроводниках были рассмотрены в 7.3. Как отмечалось, в отсутствие внешнего электрического поля носители заряда (электроны и дырки) совершают хаотическое движение в пределах кристалла. При приложении внешнего электрического поля преимущественным направлением движения электронов становится движение против поля, дырок — в направлении поля. Последнее объясняется тем, что движение дырки осуществляется посредством движения электрона, участвующего в ковалентной связи. Если электрон, заполняя незавершенную связь (дырку), перемещается из положения 1 в положение 2 (см. рис. 7.4), то дырка, наоборот, переходит из положения 2 в положение I. Следовательно, преимущественным движением дырок в электрическом поле будет движение, противоположное направлению движения электронов. Таким образом, движение дырки во внешнем электрическом поле подобно движению положительно заряженной частицы.  [c.63]

СОБСТВЕННЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ  [c.192]

Рассмотрим примесные полупроводники. Содержащиеся в них примесные ато.мы могут оказывать сушественное влияние на электропроводность полупроводника. На рис. 3.5, а, в, д схематически представлены процессы образования свободных носителей заряда, способных участвовать в электропроводности, в собственном и примесном кремнии, эти же процессы показаны и на энергетических диаграммах (рис. 3.5, б, г, е). Для кремния характерны примеси замещения, V. е. атомы примеси заменяют атомы кремния в узлах кристаллической решетки.  [c.50]

Физические свойства германия приведены в табл. 8-3. Удельная проводимость германия с различной концентрацией мышьяка зависит от температуры. Из рис. 8-17 видны области температур, в которых проявляются собственная и примесная составляющие электропроводности германия. Кроме того, видно, что при большом содержании примесей (кривая 6) имеем вырожденный полупроводник.  [c.254]


Полупроводники. Собственная и примесная электропроводность. Электронная и дырочная проводимость.  [c.319]

Собственная и примесная электропроводности полупроводников  [c.63]

Используя опытные данные и строя кривые, подобные кривой, приведенной на рис. 160, а, вычисляют энергию активации w при собственной и примесной электропроводностях полупроводника.  [c.289]

Рассмотрим термоэлектрические явления в полупроводниках с собственной и примесной проводимостью.[c.497]

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПРИМЕРЫ ЗОННОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС СТАТИСТИКА НОСИТЕЛЕЙ ТОКА ПРИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ РАВНОВЕСИИ СОБСТВЕННЫЕ И НЕСОБСТВЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ ЗАПОЛНЕНИЕ ПРИМЕСНЫХ УРОВНЕЙ ПРИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ РАВНОВЕСИИ РАВНОВЕСНЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ТОКА В ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПРОВОДИМОСТЬ ЗА СЧЕТ ПРИМЕСНОЙ ЗОНЫ ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА В НЕВЫРОЖДЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ  [c.184]

Концентрации носителей Па и ра называют равновесными они устанавливаются при наличии термодинамического равновесия. В таком полупроводнике скорость тепловой генерации носителей заряда (генерации за счет теплового возбуждения) равна скорости их рекомбинации. Поэтому По и ро остаются постоянными при неизменной температуре. В собственном беспримесном полупроводнике Па=Ро, носители генерируются и рекомбинируют парами. В примесных полупроводниках с донорными примесями (п-полупроводниках) По>ро, а в полупроводниках с акцепторными примесями (р-полупроводниках) п рекомбинации носителей. Определяемая выражением (7.3.1) проводимость Оо называется равновесной. Она обусловливает электрический ток, возникающий в неосвещенном полупроводнике при приложении к нему раз-и сти потенциалов (так называемый темповой ток).  [c.174]

Квантовый выход внутреннего фотоэффекта. Предположим теперь, что полупроводник освещается монохроматическим светом, частота которого выше пороговой частоты для внутреннего фотоэффекта. Последняя определяется шириной запрещенной зоны в собственных полупроводниках и энергией ионизации донорных или акцепторных примесей в примесных полупроводниках. При поглощении фотонов электронами валентной зоны или примесных уровней будут происходить соответствующие квантовые переходы, приводящие к образованию дополнительных (неравновесных) носителей заряда, которые и обусловливают фотопроводимость.  [c.176]

Легирование электронного полупроводника акцепторной примесью или полупроводника р-типа донорной примесью приводит к перераспределению носителей заряда между донорным и акцепторным уровнями (компенсация примесей). Введением компенсирующих примесей можно уменьшить число свободных носителей заряда и приблизить сопротивление примесного полупроводника к его собственному сопротивлению. При компенсации примесей осуществляется переход электронов с донорных уровней на акцепторные, что при достаточно низких температурах приводит к некоторому уменьшению числа свободных носителей заряда.  [c.94]

Дальнейшее увеличение концентрации примеси приводит к тему, что примесная зона продолжает расширяться и сливается (образец п-типа) с зоной проводимости (рис. 44, в Ес и Е — бывшие границы зоны проводимости и валентной зоны EF — уровень Ферми в отсутствие компенсации). Энергия активации примеси при этом обращается в нуль. В таком материале уже нельзя провести четкое различие между зоной проводимости и примесной имеется единая область дозволенных значений энергии, проникающая в глубь запрещенной зоны. Эту область по-прежнему будем называть примесной. Полупроводник, в котором примесная зона слилась с ближайшей к ней собственной зоной кристалла, называется сильно легированным.[c.121]

Функция Ферми-Дирака (3.2), (3.3) справедлива не только для собственных, но и для примесных полупроводников. В полупроводниках п-типа большое количество электронов переходит в зону проводимости с уровней доноров, при этом дырки в валентной зоне не появляются. Поэтому вероятность появления электрона в зоне проводимости выше вероятности появления дырки в валентной зоне. Это, очевидно, возможно в том случае, если уровень Ферми Wf будет смещен от середины запрещенной зоны Wi в сторону дна зоны проводимости. Чем выше концентрация атомов доноров в полупровод-  [c.55]


Рабочий температурный диапазон примесных полупроводников ограничен снизу температурой полной ионизации примесей, а сверху — критической температурой истощения, при которой примесный полупроводник превращается в собственный. В рабочем диапазоне можно считать все примесные атомы полностью ионизированными и пренебречь собственной концентрацией по-  [c.58]

Что такое собственный, примесный и компенсированный полупроводник  [c. 293]

Примесная проводимость полупроводников. Температурная зависимость электропроводности невырожденных примесных полупроводников, как и собственных, определяется в основном температурой зависимостью концентрации носителей. Поэтому качественный характер кривой зависимости а (Т) аналогичен кривой зависимости п (Т), показанной на рис. 6.4, в.  [c.191]

Наряду с процессами образования пар электрон—дырка в полупроводнике имеет место и обратный процесс — рекомбинация электрона и дырки с переходом электрона из зоны проводимости в валентную зону и испусканием при этом кванта энергии hv. В результате действия двух процессов — образования электронов и дырок и их рекомбинации — в полупроводнике устанавливается равновесная концентрация электронов и дырок, зависящая от температуры. Чистый полупроводник, не содержащий никаких примесей, называется собственным полупроводником, так как он обладает при некоторой температуре Т собственной проводимостью . Кроме собственных полупроводников существуют также примесные полупроводники , в которых часть атомов замещена атомами примеси.  [c.56]

Карбид кремния, легированный фосфором, сурьмой или висмутом, имеет темно-зеленую окраску и обладает электропроводностью п-типа легированный кальцием, алюминием или бором, имеет темно-фиолетовую окраску и обладает электропроводностью р-типа. Основные характеристики карбида кремния плотность 3,2 г/см температура плавления 2600°С р = 10 -ь 10 Ом-см е = 6,5 ч-Ч- 7,5. Удельное сопротивление карбида кремния в сильной степени зависит от его состава. Как и кристаллический селен, карбид кремния является примесным полупроводником, но при температуре 1400°С и выше у него появляется собственная электропроводность.  [c.98]

Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Если па полупроводник падает свет с длиной волны, нри к-рой происходит собственное или примесное поглощение, то число носителей в полупроводнике увеличивается и его проводимость возрастает (см. Внутренний фотоэффект). Число дополнит, носителей в стационарных условиях определяется интен-  [c.525]

Собственные и примесные полупроводники. Собств. П. содержит электроны и дырки в одинаковом кол-ве п = р — щ. Эти электроны и дырки возникли, вапр., за счёт теплового заброса электронов из валентной зоны в зону проводимости, В собств. П. уровень Ферми находится примерно посредине запрещённой зоны и определяется выражением  [c.39]

При собственном и примесном поглощениях возникают избыточные свободные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости полупроводника. Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света называется внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретаемая полупроводником при облучении светом, называется фотопроводимостью. Основная, же проводимость, обусловленная тепловым возбуждением свободных носителей заряда, называется темновой проводимостью. Приборы, предназначенные для регистрации светового излучения по[c.324]

Фотопроводимость. Внутренний фотоэффект, или фотопроводимость, — это явление возникновения внутри полупроводника избыточных носителей тока под действием освещения. В простейшем случае собственного полупроводника излучение возбуждает валентные электроны в зоне проводимости, где они находятся в свободном состоянии и могут участвовать в процессе переноса заряда. Вклад в прО Зодимость дают также возникаюш,ие в валентной зоне дырки. В примесном полупроводнике -типа кроме собственного фотоэффекта возможно еще возбуждение электронов из связанных состояний на донорных центрах в зону проводимости. Аналогичным образом в полупроводниках р-типа возможно возбуждение электронов из валентной зоны на акцепторные уровни, создавая тем самым подвижные дырки. Характерно, что в обоих случаях» примесной фотопроводимости в кристалле генерируются свободные носители только одного знака. Так же, как и внешний фотоэффект, фотопроводимость проявляется в однородном материале в присутствии внешнего электрического поля.  [c.346]

Концентрация носителей. Предположим, что в полупроводнике имеются доноры с концентрацией N . Аналогично тому, как это было сделано для собственного полупроводника, можно записать условие электронейтральности и из него определить положение уровня Ферми в примесном полупроводнике. Так, в области низких термодинамических температур, когда процессами переброса элек-  [c.251]

Акцепторные уровни расположены выше потолка валентной зоны, и при наличии энергии активации АЕд электроны л-гз валентной зоны могут переходить на указанные уровни, -оставляя в зоне незанятые энергетические уровни — дырки. Этот переход сопровождается превращением акцепторов в отрицательно заряженные ионы, которые также не участвуют н электропроводности. Такой полупроводник называют примесным полупроводником р-типа (для него характерна дырочная проводимость). Таким образом, в противоположйость собственной проводимости примесная проводимость осуществляется носителями заряда только одного знака — электронами, которые поставляются донорами в свободную зону, нли дырками путем захвата электронов из валентной зоны акцепторами.  [c.92]


В правой части равенства уже не содержится значение уровня Ферми Ен. Полученное выражение представляет собой закон действующих масс. Поскольку при выводе соотношения (3.41) не предполагалось, что проводимость будет собственной, следовательно, оно будет оправедливо и в присутствии примесей. Единственное условие для примесных полупроводников состоит в том, что энергетическое расстояние уровня Ферми от краев обеих зон должно быть велико по сравнению с коТ.  [c.114]

Общие представления. Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в практике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т. е. полупроводники с достаточно широкой запрещенной зоной. В рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси. Примесями в простых полупроводниках служат чужеродные атомы. Под примесями в полупроводниковых химических соединениях понимают не только включения атомов посторонних элементов, но и избыточные по стехиометрическому составу атомы тех самых элементов, которые входят в химическую формулу самого соединения. Кроме того, роль примесей играют всевозможные дефекты кристаллической решетки пустые узлы, атомы или ионы, оказавшиеся в междоузлиях решетки, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации кристалла, микротре-дины и т. д. (стр. 12). Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то они называются примесями замещения, если в междоузлиях — примесями внедрения.  [c.233]

Примесные полупроводники донор-ного типа. В характере зависимости положения уровня Ферми и концентрации свободных носителей заряда примесных полупроводниках от температуры можно условно выделить три области область низких температур, истощения примеси и перехода к собственной проводимости.  [c.164]

В отличие от собственных полупроводников, в которых проводимость осуществляется одновременно электронами и дырками, в примесных полупроводниках проводимость обусловливается в основном носителями од1Юго знака электронами в полупроводниках донорного типа и дырками в полупроводниках акцепторного типа. Эти носители называются основными.  [c.170]

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ (фоторезистивный эффект)— изменение электропроводности среды, oбy JЮвл ннoe действием эл.-магн. излучения. Ярко выражена в полупроводниках и диэлектриках. Впервые наблюдалась У. Смито.м (W. Smith, 1873) в аморфном Si (см. Аморфные и стеклообразные полупроводники). Ф. возникает из-за изменения либо концентрации носителей заряда (концентрационная Ф.), либо их подвижности под действием излучения (см. Подвижность носителей заряда). В зависимости от механизма поглощения излучения различают Ф. собственную, примесную и внутризонную.  [c.355]

В полупроводниках носителями заряда, обусловливающими электрическую проводимость, являются дырки-проводимости и электроны. Полу проводник, не содержащий примесей влияющих на его электропровод1 ость называется собсгвенным полупроводии ком. Электропроводимость собствен-ио полупроводника в равновесном состоянии обусловлена как дырками проводимости, так и электронами проводимости, причем их концентрации равны. Полупроводник, электропроводность которого определяется примесями, называется примесным полупроводником. Полупроводник, электрическая проводимость которого обусловлена в основном перемещением дырок проводимости, будет дырочным нолу проводником. У электронного полупроводника проводимость обусловлена в основном электронами прО водимостн.  [c.568]

Основную роль в образовании ростовых микродефектов в выращиваемых монокристаллах играют СТД — вакансии и межузельные атомы. В реальных условиях выращивания монокристаллов, уже на достаточно малых расстояниях от фронта кристаллизации возникают значительные пересыщения по СТД, обусловленные резкой температурной зависимостью их равновесных концентраций в алмазоподобных полупроводниках. Образующиеся избыточные неравновесные СТД аннигилируют на стоках, в качестве которых выступают боковая поверхность слитка и присутствующие в его объеме более крупномасштабные дефекты, прежде всего, дислокации. По отношению к СТд дислокации являются практически ненасыщаемыми стоками. С учетом высокой подвижности СТД при высоких температурах сток на дислокации (при достаточно высокой плотности последних в кристалле) играет основную роль в снятии пересыщения. Однако бездислокационные монокристаллы лишены такого рода эффективных внутренних стоков, а боковая поверхность слитка в силу чисто диффузионных ограничений не может обеспечить снятия пересыщения. В результате, в объеме кристалла образуются пересыщенные твердые растворы СТД, которые в процессе посткристаллизацион-ного охлаждения распадаются с образованием специфических агрегатов, получивших название микродефекты . Следует отметить, что в литературе отсутствует единая точка зрения по поводу определения понятия микродефект . Под этим термином мы будем понимать локальные нарушения периодичности кристаллической решетки, представляющие собой скопления точечных дефектов (собственных или примесных), не нарушающие фазового состояния основного вещества, а также дисперсные выделения второй фазы микронных и субмикронных размеров.  [c.48]

Кроме собственной проводимости, в полупроводниках наблюдается еще и примесная проводимость. Она появляется благодаря присутствию в полупроводнике атомов некоторых примесей. Если, например, в кремнии имеется примесь сурьмы или другого элемента пятой группы таблицы Д. И. Менделеева, то происходит следующее явление. Атом сурьмы имеет пять валентных электронов, четыре из них образукзт ковалентные связи с соседними атомами кремния, а пятый электрон очень легко переходит в зону проводимости. Таким образом, получается полупроводник (кремний) п-тина с электронной проводимостью. Название п-тип произошло от английского слова negative — отрицательный. Добавки, подобные сурьме, создающие электроны проводимости в полупроводниках, называются донорами. Электрический ток в полупроводниках п-типа осуществляется только электронами доноров, поскольку их в 10 —10 раз больше, чем собственных носителей зарядов полупроводника.  [c.19]


Что полупроводники собственная проводимость полупроводников. Проводимость полупроводников – собственная и примесная. Собственные и примесные полупроводники

Собственная проводимость полупроводников — это электропроводность идеально чистого материала. В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводника. Электропроводность чистого полупроводника будет тем большей, чем больше концентрация свободных носителей электрического заряда — электронов и дырок — n i , которая сильно зависит от температуры. Это является причиной температурной зависимости электропроводности чистых полупроводников.

Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей, которые разделяются на два типа: донорные и акцепторные. Ничтожного количества примеси в чистый полупроводник достаточно для изменения его электропроводности на несколько порядков. Это обусловлено тем, что примесные атомы в составе кристаллической решетки полупроводника могут либо поставлять в нее электроны проводимости, либо поглощать валентные электроны полупроводника, увеличивая тем самым концентрацию дырок.

Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок, называются донорными. Полупроводниковые материалы, в которых электроны служат основными носителями заряда, а дырки не основными, называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа. Примеси, захватывающие валентные электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными. Полупроводники, в которых концентрация дырок значительно превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа. Для примесных полупроводников справедлива т.н. «формула полупроводника»:

где n и p — соответственно концентрации свободных электронов и дырок, n i — концентрация свободных носителей чистого полупроводника. Таким образом, увеличение за счет донорной примеси концентрации свободных электронов будет приводить к уменьшению концентрации дырок, а увеличение концентрации дырок, путем введения акцепторной примеси, — к уменьшению концентрации свободных электронов. Это обстоятельство позволяет изменять тип электропроводности полупроводника, подавляя имеющуюся примесь большим количеством противоположной, что широко используется при создании полупроводниковых приборов. Возможности изменения типа электропроводности, однако, ограничены предельными концентрациями растворимости примесей в полупроводнике.

Собственные и примесные полупроводники

Собственными полупроводниками или полупроводниками типа i (от английского intrinsic — собственный) называются чистые полупроводники, не содержащие примесей. Примесными полупроводниками называются полупроводники, содержащие примеси, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Они подразделяются на: электронные и дырочные.

2.1.4.1 Собственный полупроводник

Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решетки.

В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями (рис. 2.1), в результате которых происходит обобществление валентных электронов и образование устойчивых электронных оболочек, состоящих из восьми электронов. При температуре абсолютного нуля (T=0° K) все валентные электроны находятся в ковалентных связях, следовательно, свободные носители заряда отсутствуют, и полупроводник подобен диэлектрику. При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией валентный электрон может выйти из ковалентной связи и стать свободным носителем электрического заряда (рис. 2.2). При этом ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется свободное (вакантное) место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи, в результате чего вакантное место переместится к другой паре атомов. Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки можно рассматривать как перемещение некоторого фиктивного (виртуального) положительного заряда, величина которого равна заряду электрона. Такой положительный заряд принято называть дыркой.

Процесс возникновения свободных электронов и дырок, обусловленный разрывом ковалентных связей, называется генерацией носителей заряда. Его характеризуют скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, возникающих в единицу времени в единице объема. Скорость генерации тем больше, чем выше температура и чем меньше энергия, затрачиваемая на разрыв ковалентных связей. Возникшие в результате генерации электроны и дырки, находясь в состоянии хаотического теплового движения, спустя некоторое время, среднее значение которого называется временем жизни носителей заряда, встречаются друг с другом, в результате чего происходит восстановление ковалентных связей. Этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда и характеризуется скоростью рекомбинации R, которая определяет количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени в единице объема. Произведение скорости генерации на время жизни носителей заряда определяет их концентрацию, то есть количество электронов и дырок в единице объема. При неизменной температуре генерационно-рекомбинационные процессы находятся в динамическом равновесии, то есть в единицу времени рождается и исчезает одинаковое количество носителей заряда (R=G). Это условие называется законом равновесия масс. Состояние полупроводника, когда R=G, называется равновесным; в этом состоянии в собственном полупроводнике устанавливаются равновесные концентрации электронов и дырок, обозначаемые n i и p i . Поскольку электроны и дырки генерируются парами, то выполняется условие: n i =p i. При этом полупроводник остается электрически нейтральным, т.к. суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется суммарным положительным зарядом дырок. Это условие называется законом нейтральности заряда. При комнатной температуре в кремнии n i =p i =1,4·10 10 см 3 , а в германии n i =p i =2,5·10 13 см 3 . Различие в концентрациях объясняется тем, что для разрыва ковалентных связей в кремнии требуются большие затраты энергии, чем в германии. С ростом температуры концентрации электронов и дырок возрастают по экспоненциальному закону.

2.1.4.2 Электронный полупроводник

Электронным полупроводником или полупроводником типа n (от латинского negative — отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 2.3) помимо основных (четырехвалентных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый («лишний») электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки. Однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов. Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается nn, а концентрация дырок — pn. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

2.1.4.3 Дырочный полупроводник


Дырочным полупроводником или полупроводником типа p (от латинского positive — положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рисунок 2.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка. В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается p p , они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается n p , они являются неосновными носителями заряда.

Сегодня мы расскажем, что такое собственная и примесная проводимость полупроводников, как она возникает и какую роль играет в современной жизни.

Атом и зонная теория

В начале двадцатого века ученые выяснили, что атом — это не самая маленькая частица вещества. Он имеет свою сложную структуру, а его элементы взаимодействуют по особенным законам.

К примеру, выяснилось, что электроны могут находиться только на определенных расстояниях до ядра — орбиталях. Переходы между этими состояниями происходят рывком с выделением или поглощением кванта электромагнитного поля. Чтобы объяснить механизм собственной и примесной проводимости полупроводников, надо сначала разобраться со строением атома.

Размеры и формы орбиталей определяются волновыми свойствами электрона. Как и волна, эта частица имеет период, и когда вращается вокруг ядра, он «накладывается» сам на себя. Только там, где волна не подавляет собственную энергию, электрон может существовать длительное время. Отсюда вытекает следствие: чем дальше от ядра находится уровень, тем меньше расстояние между этой и предыдущей орбиталью.

Решетка в твердом теле

Собственную и примесную проводимость полупроводников физика объясняет «коллективом» одинаковых орбиталей, который возникает в твердом теле. Под твердым телом подразумевается не агрегатное состояние, а совершенно конкретный термин. Так называется вещество с кристаллическим строением или аморфное тело, которое потенциально может быть кристаллическим. Например, лед и мрамор — это твердое тело, а дерево и глина — нет.

В кристалле существует очень много похожих атомов, и вокруг каждого вращаются одинаковые электроны на тех же орбиталях. И здесь есть небольшая проблема. Электрон относится к классу фермионов. Это значит, что двух частиц в совершенно одинаковых состояниях быть не может. И что делать в этом случае твердому телу?

Природа нашла потрясающий по простоте выход: все электроны, которые принадлежат одной орбитали одного атома в кристалле, чуть-чуть отличаются по энергии. Разница эта невероятно маленькая, и все орбитали как бы «спрессовываются» в одну непрерывную энергетическую зону. Между зонами лежат большие провалы — такие места, где электроны не могут находиться. Эти пробелы называются «запрещенными».

Чем полупроводник отличается от проводника и диэлектрика?

Среди всех зон одного твердого тела выделяются две. В одной (самой верхней) электроны могут свободно двигаться, они не «привязаны» к своим атомам и переходят с места на место. Это называется зоной проводимости. В металлах такая область напрямую соприкасается со всеми остальными, и чтобы возбудить электроны, не требуется затрачивать большую энергию.

Но у других веществ все иначе: электроны располагаются в валентной зоне. Там они связаны со своими атомами и не могут просто так покинуть их. Валентная зона отделяется от зоны проводимости «провалом». Чтобы электроны могли преодолеть запрещенную зону, веществу надо сообщить определенную энергию. Диэлектрики отличаются от полупроводников только размером «провала». У первых он больше, чем 3 эВ. Но в среднем у полупроводников ширина запрещенной зоны составляет от 1 до 2 эВ. Если разрыв больше, то вещество называется широкозонным полупроводником и используется с осторожностью.

Виды проводимости полупроводников

Чтобы понять, каковы особенности собственной и примесной проводимости полупроводников, надо сначала узнать, какие бывают ее виды.

Мы уже рассказали, что полупроводник — это кристалл. Значит, его решетка состоит из периодических одинаковых элементов. И его электроны надо «забросить» в зону проводимости, чтобы по веществу потек ток. Если по объему кристалла движутся именно электроны — это электронная проводимость. Она обозначается как n-проводимость (от первой буквы английского слова negative, то есть «отрицательный»). Но бывает и иной тип.

Представьте, что в некой периодической системе один элемент отсутствует. Например, лежат в корзине теннисные мячики. Они расположены ровными одинаковыми слоями: в каждом равное количество шаров. Если один мяч вынуть, в конструкции образуется пустота, дыра. Все окружающие шары постараются заполнить пробел: один элемент из верхнего слоя ляжет на место недостающего. И так далее, пока не установится равновесие. Но при этом и дыра будет тоже двигаться — в противоположном направлении, вверх. И если первоначально поверхность шаров в корзине была ровной, то после перемещений в верхнем ряду образуется дырка на месте одного недостающего мяча.

Так же и с электронами в полупроводниках: если электроны движутся к положительному полюсу напряжения, то оставшиеся на их месте пустоты движутся к отрицательному полюсу. Эти противоположные квазичастицы называются «дырки», и они имеют положительный заряд.

Если в полупроводнике преобладают дырки, то механизм называется p-проводимостью (от первой буквы английского слова positive, то есть «положительный»).

Примесь: случайность или стремление?

Когда человек слышит слово «примесь», то чаще всего подразумевается что-то нежелательное. Например, «примесь токсических веществ в воде», «примесь горечи в радости триумфа». Но примесь — это еще и что-то маленькое, незначительное.

В данное слово имеет скорее второй смысл, чем первый. Чтобы усилить один из типов проводимости, в кристалл можно ввести атом, который отдаст электроны (донор), либо заберет их (акцептор). Порой требуется незначительное количество чужеродного вещества, чтобы увеличить какой-то вид тока.

Таким образом, собственная и примесная проводимость полупроводников — это похожие явления. Добавка только усиливает уже существующее качество кристалла.

Применение легированных полупроводников

Вид проводимости для кристаллов важен, но на практике используют их комбинацию.

В месте соединения полупроводников n- и p-типа создается прослойка из положительных и отрицательных частиц. Если ток подключить правильно, то заряды скомпенсируют друг друга, и в цепи пойдет электричество. Если полюса подключить в обратном направлении, то разнозаряженные частицы «запрут» друг друга на своей половине, и в системе тока не будет.

Таким образом, маленький кусочек легированного кремния способен стать диодом для выпрямления электрического тока.

Как мы показали выше, ключевую роль играет в полупроводнике собственная и примесная проводимость. Полупроводниковые приборы стали намного меньше в размерах, чем ламповые устройства. Этот технологический прорыв позволил совершить многое из того, что ученые предсказали теоретически, но нельзя было до поры до времени осуществить на практике из-за больших размеров оборудования.

Кремний и космос

Полет в космос стал одной из важнейших возможностей, доступных благодаря полупроводникам. До шестидесятых годов двадцатого века это было неосуществимо по той простой причине, что управление ракеты содержалось в невероятно тяжелых и хрупких ламповых приборах. Ни один способ не мог поднять такую махину без вибраций и нагрузок. А открытие кремниевой и германиевой проводимости дало возможность уменьшить вес управляющих элементов и сделать их более цельными и прочными.

К полупроводникам относят широкий класс веществ, которые отлича-ются от металлов тем, что:

а) концентрация подвижных носителей заряда в них существенно ниже, чем концентрация атомов;

б) эта концентрация (а с ней и электропроводность) может меняться под влиянием температуры , освещения, небольшого количества примесей;

Полупроводники по своему строению делятся на кристаллические, амфорные и стеклообразные, жидкие. По химическому составу полупроводники делятся на элементарные, т. е. состоящие из атомов одного сорта (Ge , Si , Se , Т e ), двойные, тройные, четверные соединения. Полупроводни-ковые соединения принято классифицировать по номерам групп периодической таблицы элемен-тов, к которым принадлежат входящие в соединение элементы. Например, GaAs и InSb относятся к соединениям типа A III B V (существуют также и органические полупроводники).

Строение полупроводников.

Строение полупроводников рассмотрим на примере кремния.

Электронная проводимость.

Увеличение температуры приводит к увеличению кинетической энергии валентных электро-нов и разрыву валентных связей. Часть электронов становятся свободными (подобно электронам в металле), кристаллы под действием электрического поля начинают проводить ток (рис. выше, б ). Проводимость полупроводников, обусловленная свободными электронами, называется электронной проводимостью . Концентрация носителей заряда при увеличении температуры от 300 до 700 К растет от 10 17 до 10 24 м -3 , что и приводит к падению сопротивления.

Дырочная проводимость.

Разрыв валентных связей при увеличении температуры приводит к образованию вакантного места с недостающим электроном, которое имеет эффективный положительный заряд и называется дыркой . Становится возможным переход валентных электронов из соседних связей на ос-вободившееся место. Такое движение отрицательного заряда (электрона) в одном направлении эквивалентно движению положительного заряда (дырки) в противоположном.

Перемещение дырок по кристаллу происходит хаотически, но если к нему приложить раз-ность потенциалов , начнется их направленное движение вдоль электрического поля. Проводи-мость кристалла, обусловленная дырками, называется дырочной проводимостью.

Электронная и дырочная проводимость чистых (беспримесных) полупроводников называется собственной проводимостью полупроводников .

Собственная проводимость полупроводников невелика. Так, в Ge число носителей заряда (электронов) составляет всего одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.

Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется некоторое число носителей тока — электронов, занимающих уровни вблизи дна зоны, одновременно в валентной зоне освобождается такое же число мест на верхних уровнях, в результате чего появляются дырки

Распределение электронов по уровням валентной зоны и зоны проводимости описываются функцией Ферми-Дирака. Это распределение можно сделать очень наглядным, изобразив, как это сделано на рис. график функции распределения совместно со схемой энергетических зон.

Соответствующий расчет дает, что у собственных полупроводников отсчитанное от потолка валентной зоны значение уровня Ферми равно

Где DE — ширина запрещенной зоны, а M Д* и M Э* — эффективные массы дырки и электрона, находящегося в зоне проводимости. Обычно второе слагаемое пренебрежимо мало, и можно полагать . Это означает, что уровень Ферми лежит посредине запрещенной зоны, Следовательно, для электронов, перешедших в зону проводимости, величина E — EF мало отличается от половины ширины запрещенной зоны. Уровни зоны проводимости лежат на хвосте кривой распределения. Поэтому вероятность их заполнения электронами можно находить по формуле (1.23) предыдущего параграфа. Положив в этой формуле , получим, что

.

Количество электронов, перешедших в зону проводимости, а следовательно и количество образовавшихся дырок, будет пропорционально вероятности. Эти электроны и дырки являются носителями тока. Поскольку проводимость пропорциональна числу носителей, она также должна быть пропорциональна выражению. Следовательно, электропроводность собственных полупроводников быстро растет с температурой, изменяясь по закону

,

Где D E — ширина запрещенной зоны, S0 — величина, изменяющаяся с температурой гораздо медленнее, чем экспонента, в связи с чем ее можно в первом приближении считать константой.

Если на графике откладывать зависимость ln S От T , то для собственных полупроводников получается прямая линия, изображен­ная на рис.4. По наклону этой прямой можно определить ширину запрещенной зоны D E.

Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева — германий и кремний. Они образуют решетку типа алмаза, в которой каждый атом связан ковалентными (парно-электронными) связями с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. Условно такое взаимное расположение атомов можно представить в виде плоской структуры, изображенной на рис. 5. Кружки со знаком обозначают положительно заряженные атомные остатки (т. е. ту часть атома, которая остается после удаления валентных электронов), кружки со знаком — валентные электроны, двойные линии — ковалентные связи.

При достаточно высокой температуре тепловое движение может разорвать отдельные пары, освободив один электрон. Покинутое электроном место перестает быть нейтральным, в его окрестности возникает избыточный положительный заряд , т. е. образу­ется дырка (на рис.5 она изображена пунктирным кружком). На это место может перескочить электрон одной из соседних пар. В результате дырка начинает также странствовать по кристаллу, как и освободившийся электрон.

При встрече свободного электрона с дыркой они Рекомбинируют (соединяются). Это означает, что электрон нейтрализует избыточный положительный заряд, имеющийся в окрестности дырки, и теряет свободу передвижения до тех пор, пока снова не получит от кристаллической решетки энергию, достаточную для своего высвобождения. Рекомбинация приводит к одновременному исчезновению свободного электрона и дырки. На схеме уровней процессу рекомбинации соответствует переход электрона из зоны проводимости на один из свободных уровней валентной зоны.

Итак, в собственном полупроводнике идут одновременно два процесса: рождение попарно свободных электронов и дырок и рекомбинация, приводящая к попарному исчезновению электронов и дырок. Вероятность первого процесса быстро растет с температурой. Вероятность рекомбинации пропорциональна как числу свободных электронов, так и числу дырок. Следовательно, каждой температуре соответствует определенная равновесная концентрация электронов и дырок, которая изменяется с температурой пропорционально выражению.

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электронов против поля и дырок — в направлении поля. Оба движения — и дырок, и электронов — приводит к переносу заряда вдоль кристалла. Следовательно, собственная электропроводность обусловливается как бы носителями заряда двух знаков — отрицательными электронами и положительными дырками.

Отметим, что при достаточно высокой температуре собственная проводимость наблюдается во всех без исключения полупроводниках. Однако в полупроводниках, содержащих примесь, электропроводность слагается из собственной и примесной проводимостей.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Цель. Познакомить курсантов с процессом получения носителей зарядов в полупроводниках и методами управления их концентрацией и движением в электрических и магнитных полях .

План

1. Контактные и поверхностные явления в полупроводниках.

2. Внутренняя структура полупроводников.

3. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

4. Температурная зависимость проводимости примесных полупроводников.

5. Формирование контакта полупроводник полупроводник. Электронно- дырочный p-n- переход.

6. Свойства p-n- перехода при наличии приложенного внешнего напряжения.

7. Вольтамперная характеристика p-n- перехода, температурные и частотные свойства p-n- перехода.

8. Туннельный эффект. Переход Шоттки. Их свойства.

С точки зрения зонной теории, к полупроводникам относятся вещества, ширина запрещенной зоны которых не превосходит 3 эВ. Важнейшим свойством и признаком полупроводников является зависимость их от внешних условий: температуры, освещенности, давления, внешних полей и т.п. Характерная особенность полупроводников заключается в уменьшении их удельного сопротивления с увеличением температуры.

Наиболее широкое применение в полупроводниковой технике получили германий , кремний , селен , а также полупроводниковые соединения типа арсенид галлия, карбид кремния, сульфид кадмия и др.

Для полупроводников характерно кристаллические строение, т.е. закономерное и упорядоченное расположение их атомов в пространстве. В кристаллах связанные между собой атомы располагаются строго определенным образом и на одинаковых расстояниях друг от друга, в результате чего образуется своеобразная объемная решетка из атомов, которую принято называть кристаллической решеткой твердого тела .

Между атомами кристаллической решетки существуют связи. Они образуются валентными электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с соседними. В кристаллах германия, кремния связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами — по одному от каждого атома. Такая связь между атомами называется двухэлектронной или ковалентной.

Характерной особенностью ковалентных связей заключается в том, что при их образовании электроны связи принадлежат уже не одному, а сразу обоим, связанным между собою атомам, т.е. являются для них общими.

В результате внешняя орбита каждого из атомов имеет как бы по восемь электронов, и становиться полностью заполненной. Кристаллическая решетка, в которой каждый электрон внешней орбиты связан ковалентными связями с остальными атомами вещества, является идеальной. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет . Такую кристаллическую решетку имеют все химически чистые беспримесные полупроводники при температуре абсолютного нуля ( 273?С). В этих условиях полупроводники обладают свойствами идеальных изоляторов.


Собственная проводимость полупроводников

Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей. Так, при температурах выше абсолютного нуля атомы твердого тела колеблются около узлов кристаллической решетки. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. Время от времени энергия этих колебаний сообщается какому либо электрону, в результате чего его полная энергия оказывается достаточной для перехода из валентной зоны в зону проводимости.

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает как бы свободное место, обладающее элементарным положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такое освободившееся в электронной связи место условно назвали дыркой , а процесс образования пары электрон — дырка получил название генерации зарядов . Дырка обладает положительным зарядом, поэтому она может присоединить к себе электрон соседней заполненной ковалентной связи. В результате этого восстанавливается одна связь (этот процесс называют рекомбинацией ) и разрушается соседняя или, другими словами заполняется одна дырка и одновременно с этим возникает новая в другом месте. Такой генерационно-рекомбинационный процесс непрерывно повторяется, и дырка, переходя от одной связи к другой, будет перемещаться по кристаллу, что равносильно перемещению положительного заряда, равного по величине заряду электрона.

Различают несколько видов рекомбинации носителей в полупроводниках. В самом простом случае рекомбинация может рассматриваться как прямой переход электрона из зоны проводимости в валентную зону на имеющийся там свободный уровень (рис. 2.8, а). Разность энергии при этом выделяется в виде кванта электромагнитного излучения либо передается кристаллической решетке в виде механических колебаний.

Другой возможный путь рекомбинации связан с поэтапным переходом электрона через запрещенную зону: вначале электрон из зоны проводимости переходит на некоторый промежуточный уровень, расположенный внутри запрещенной зоны, а затем уже с этого уровня переходит в валентную зону (рис. 2.8, б). Промежуточный уровни, получившие название центров рекомбинации, или ловушек, могут появиться, если в кристаллической решетке имеются дефекты, обусловленные тепловым возбуждением атомов, наличием примесей, несовершенством поверхности полупроводника, воздействие на полупроводник частиц с большой энергией (β- лучей или α — частиц).

Наличие в полупроводнике центров рекомбинации позволяет резко уменьшить время жизни носителей зарядов, что необходимо для создания быстродействующих полупроводниковых приборов.

При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в кристалле хаотически вследствие теплового движения. В этом случае ток в полупроводнике не возникает. Если же на кристалл действует электрическое поле, движение дырок и электронов становиться упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. Таким образом, проводимость полупроводника обусловлена перемещением, как свободных электронов, так и дырок.

В первом случае носители зарядов отрицательны (негативны ), во втором — положительны (позитивны ). Соответственно различают два вида проводимости полупроводников — электронную, или проводимость типа n (от слова negative — отрицательный), и дырочную , или проводимость типа p (от слова positive — положительный).

В химически чистом кристалле полупроводника число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нем образуется в результате одновременного переноса зарядов обоих знаков. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника . При этом ток в полупроводнике всегда равен сумме электронного и дырочного токов.

01.04.10 — физика полупроводников

 

 

ПРОГРАММА-МИНИМУМ

кандидатского экзамена по специальности
01.04.10 «Физика полупроводников»
по техническим и физико-математическим наукам

Введение

В основу настоящей программы положены основные разделы физики полупроводников, касающиеся основных физических проблем данной области, основ технологии и работы приборов на базе полупроводниковых материалов.

Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по физике при участии Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, ИФП СО РАН, ИРЭ РАН, ФИАН им. П.Н.Лебедева, ИФМ РАН (Нижний Новгород) и СПбГТУ.

1. Химическая связь и атомная структура полупроводников
  • Электронная конфигурация внешних оболочек атомов и типы сил связи в твердых телах. Ван-дер-ваальсова, ионная и ковалентная связь.
  • Структуры важнейших полупроводников — элементов AIV, AVI и соединений типов AIIIBV, AIIBVI, AIVBVI.
  • Симметрия кристаллов. Трансляционная симметрия кристаллов. Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Примитивная ячейка. Ячейка Вигнера-Зейтца. Решетка Браве. Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле. Обратная решетка, ее свойства. Зона Бриллюэна.
  • Примеси и структурные дефекты в кристаллических и аморфных полупроводниках. Химическая природа и электронные свойства примесей. Точечные, линейные и двумерные дефекты.
2. Основы технологии полупроводников и методы определения их параметров
  • Методы выращивания объемных монокристаллов из жидкой и газовой фаз.
  • Методы выращивания эпитаксиальных пленок (эпитаксия из жидкой и газовой фазы).
  • Молекулярно-лучевая эпитаксия. Металлорганическая эпитаксия.
  • Методы легирования полупроводников.
  • Основные методы определения параметров полупроводников: ширины запрещенной зоны, подвижности и концентрации свободных носителей, времени жизни неосновных носителей, концентрации и глубины залегания уровней примесей и дефектов.
3. Основы зонной теории полупроводников
  • Основные приближения зонной теории. Волновая функция электрона в периодическом поле кристалла. Теорема Блоха. Зона Бриллюэна. Энергетические зоны.
  • Законы дисперсии для важнейших полупроводников. Изоэнергетические поверхности. Тензор обратной эффективной массы. Плотность состояний. Особенности Ван-Хова.
  • Уравнения движения электронов и дырок во внешних полях. Метод эффективной массы. Искривление энергетических зон в электрическом поле. Движение электронов и дырок в магнитном поле. Определение эффективных масс из циклотронного (диамагнитного) резонанса. Связь зонной структуры с оптическими свойствами полупроводника.
  • Уровни энергии, создаваемые примесными центрами в полупроводниках. Доноры и акцепторы. Мелкие и глубокие уровни. Водородоподобные примесные центры.
4. Равновесная статистика электронов и дырок в полупроводниках
  • Функция распределения электронов. Концентрация электронов и дырок в зонах, эффективная плотность состояний. Невырожденный и вырожденный электронный (дырочный) газ. Концентрации электронов и дырок на локальных уровнях. Факторы вырождения примесных состояний.
  • Положение уровня Ферми и равновесная концентрация электронов и дырок в собственных и примесных (некомпенсированных и компенсированных) полупроводниках. Многозарядные примесные центры.
5. Кинетические явления в полупроводниках
  • Кинетические коэффициенты — проводимость, постоянная Холла и термо-ЭДС. Дрейфовая скорость, дрейфовая и холловская подвижности, фактор Холла. Дрейфовый и диффузионный ток. Соотношение Эйнштейна.
  • Механизмы рассеяния носителей заряда в неидеальной решетке. Взаимодействие носителей заряда с акустическими и оптическими фононами. Рассеяние носителей заряда на заряженных и нейтральных примесях. Горячие электроны. Отрицательная дифференциальная проводимость. Электрические неустойчивости; электрические домены и токовые шнуры.
6. Рекомбинация электронов и дырок в полупроводниках
  • Генерация и рекомбинация неравновесных носителей заряда. Квазиравновесие, квазиуровни Ферми. Уравнение кинетики рекомбинации. Времена жизни. Фотопроводимость.
  • Механизмы рекомбинации. Излучательная и безызлучательная рекомбинация. Межзонная рекомбинация. Рекомбинация через уровни примесей и дефектов. Центры прилипания. Оже-рекомбинация.
  • Пространственно неоднородные неравновесные распределения носителей заряда. Амбиполярная диффузия. Эффект Дембера. Длина диффузии неравновесных носителей заряда.
7. Контактные явления в полупроводниках
  • Схема энергетических зон в контакте металл-полупроводник. Обогащенные, обедненные и инверсионные слои пространственного заряда вблизи контакта. Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки.
  • Энергетическая диаграмма p-n перехода. Инжекция неосновных носителей заряда в p-n переходе.
  • Гетеропереходы. Энергетические диаграммы гетеропереходов.
  • Варизонные полупроводники.
  • 8. Свойства поверхности полупроводников
  • Поверхностные состояния и поверхностные зоны. Искривление зон, распределение заряда и потенциала вблизи поверхности. Поверхностная рекомбинация.
  • Эффект поля.
  • Таммовские уровни. Скорость поверхностной рекомбинации.
9. Оптические явления в полупроводниках
  • Комплексная диэлектрическая проницаемость, показатель преломления, коэффициент отражения, коэффициент поглощения. Связь между ними и соотношения Крамерса-Кронига.
  • Межзонные переходы. Край собственного поглощения в случае прямых и непрямых, разрешенных и запрещенных переходов. Экситонное поглощение и излучение. Спонтанное и вынужденное излучение.
  • Поглощение света на свободных носителях заряда.
  • Поглощение света на колебаниях решетки. Рассеяние света колебаниями решетки, комбинационное рассеяние на оптических фононах (Рамана — Ландсберга), рассеяние на акустических фононах (Бриллюэна — Мандельштама).
  • Влияние примесей на оптические свойства. Примесная структура оптических спектров вблизи края собственного поглощения в прямозонных и непрямозонных полупроводниках. Межпримесная излучательная рекомбинация. Экситоны, связанные на примесных центрах.
  • Оптические явления во внешних полях. Эффект Франца-Келдыша. Эффект Поккельса.
  • Эффект Бурштейна-Мосса.
  • Эффекты Фарадея и Фойгта.
10. Фотоэлектрические явления
  • Примесная и собственная фотопроводимость. Влияние прилипания неравновесных носителей заряда на фотопроводимость.
  • Оптическая перезарядка локальных уровней и связанные с ней эффекты. Термостимулированная проводимость.
  • Фоторазогрев носителей заряда.
  • Фотоэлектромагнитный эффект.
11. Некристаллические полупроводники
  • Аморфные и стеклообразные полупроводники. Структура атомной матрицы некристаллических полупроводников. Идеальное стекло. Гидрированные аморфные полупроводники.
  • Особенности электронного энергетического спектра неупорядоченных полупроводников. Плотность состояний. Локализация электронных состояний. Щель подвижности.
  • Легирование некристаллических полупроводников.
  • Механизмы переноса носителей заряда. Прыжковая проводимость. Закон Мотта.
  • Спектры оптического поглощения некристаллических материалов. Правило Урбаха.
  • Нестационарные процессы. Определение дрейфовой подвижности по измерениям времени пролета. Дисперсионный перенос.
  • Влияние внешних воздействий на свойства некристаллических полупроводников. Метастабильные состояния.
12. Полупроводниковые структуры пониженной размерности и сверхрешетки
  • Размерное квантование. Двумерные и квазидвумерные электронные системы и структуры, в которых они реализуются. Контра- и ковариантные композиционные сверхрешетки, легированные сверхрешетки легирования. Квантовые нити. Квантовые точки. Энергетический спектр электронов и плотность состояний в этих системах.
  • Оптические явления в структурах с квантовыми ямами, правила отбора для межзонных и внутризонных (межподзонных) переходов. Межзонное поглощение и излучательная рекомбинация в этих структурах. Экситоны в квантовых ямах, квантово-размерный эффект Штарка.
  • Электрические и гальваномагнитные явления в двумерных структурах. Эффект Шубникова-де Гааза. Общее представление о квантовом эффекте Холла.
13. Принципы действия полупроводниковых приборов
  • Вольтамперная характеристика p-n перехода. Приборы с использованием p-n переходов.
  • Туннельный диод. Диод Ганна. Биполярный транзистор. Тиристор.
  • Энергетическая диаграмма структуры металл-диэлектрик-полупроводник
  • (МДП). Полевые транзисторы на МДП-структурах. Приборы с зарядовой связью.
  • Шумы в полупроводниковых приборах.
  • Фотоэлементы и фотодиоды. Спектральная чувствительность и обнаружительная способность. Полупроводниковые детекторы ядерных излучений. Фотоэлектрические преобразователи, КПД преобразования.
  • Светодиоды и полупроводниковые лазеры. Инжекционные лазеры на основе двойной гетероструктуры.
  • Использование наноструктур в полупроводниковых приборах. Гетеротранзистор с двумерным электронным газом (HEMT). Гетеролазеры на основе структур с квантовыми ямами и квантовыми точками. Резонансное туннелирование в двухбарьерной гетероструктуре и резонансно-туннельный диод. Оптический модулятор на основе квантово-размерного эффекта Штарка.
Основная литература
  1. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1979.
  2. Займан Дж. Принципы теории твердого тела. М.: Мир, 1974.
  3. Киреев П.С. Физика полупроводников. М.: Высш. шк., 1975.
  4. Шалимова К.В. Физика полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 1985.
  5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984.
  6. Мотт Н., Мотт Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир, 1974.
  7. Мотт Ю.И. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука, 1977.

Примечание. При подготовке к экзамену по техническим наукам необходимо особое внимание обратить на раздел 13 программы.

 

 

Примесные полупроводники

Электроника Примесные полупроводники

просмотров — 444

Полупроводник, который не имеет посторонних примесей, принято называть собственным полупроводником. В полупроводниковых приборах широко применяются полупроводниковые материалы с электропроводностью п-ти-па или р-типа. В тщательно очищенный полупроводник с содержанием примесей 10-9 – 10-11 (% по массе) вносят соответствующую легирующую примесь. Легирующие примеси, атомы которой снабжают полупроводник свободными электронами, называются донорными. В качестве донорных примесей используются элементы 5-й группы периодической системы, такие как фосфор P, мышьяк As и сурь-ма Sb, cостоящие из пятивалентных атомов. Четыре электрона каждого из атомов введенной примеси устанавливают четыре ковалентные (парные) связи с соответствующими атомами основного полупроводника, пятый электрон остается без такой связи (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5 Рисунок 6.6

Следовательно, данный электрон может быть легко переведен в свободное состояние и под действием приложенного напряжения принять участие в об- разовании электронного тока в полупроводнике. Основными носителями тока являются электроны, обусловливающие примесную электропроводность п-типа. Общий ток в полупроводнике равен сумме электронного и дырочного токов, но электронный ток во много раз больше дырочного.

В качестве акцепторных примесей применятся элементы 3-й группы: бор, галлий и индий. Каждый из атомов примеси установит три ковалентные связи с соответствующими атомами полупроводника: кремния или германия. Но так как у атома примеси всœего три валентных электрона, он может устано-вить связи только с тремя ближайшими атомами полупроводника. Важно заметить, что для связи с четвертым атомом полупроводника у атома примеси нет электрона. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, у нескольких атомов полупроводника будет по одному электрону без ковалентной связи. Достаточно теперь небольших внешних энергетичес- ких воздействий, чтобы эти электроны покинули свои места͵ образовав дыр-ки у атомов полупроводника (рисунок 6.6). Образовавшиеся дырки поз-воляют перейти на них электронам из сосœедних атомов, где в свою очередь новые дырки. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, образовавшаяся положительнно заряженная дырка будет переходить от одного атома полупроводника к другому, от него к следующему и т.д. Под действием приложенного напряжения это движение дырок упорядочится, ᴛ.ᴇ. в полупроводнике возникнет примесный дырочный ток базовых носителœей, в результате которого образуется электропро-водность р-типа.

В полупроводнике с примесной электропроводностью р-типа будет еще небольшое количество свободных электронов – небазовых носителœей, следовательно, будет еще собственная электропроводность. Общий ток в полупроводнике по-прежнему буде равен сумме электронного и дырочного токов, из которых дырочный будет значительно больше электронного.

Концентрация базовых носителœей в легированном полупроводнике практически не зависит от температуры. Что касается концентрации неоснов- ных носителœей, то она сильно зависит от температуры. Неосновные носители играют важную, но вредную роль в работе полупроводниковых приборов.


Читайте также


  • — Примесные полупроводники

    Чтобы превратить собственный полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подоб­ранной химической добавки (примеси), т. е. осуществить легирование полупроводника. Про­водимость, обусловленную наличием… [читать подробенее]


  • — Примесные полупроводники

    Примесный — полупроводник, электрофизические свойства которого в основном определяются примесями. Большинство полупроводниковых (п/п) приборов изготовляют на основе примесных полупроводников . Таким образом в рабочем диапазоне температур полупроводникового прибора… [читать подробенее]


  • — Примесные полупроводники

    Примесный — полупроводник, электрофизические свойства которого в основном определяются примесями. Большинство полупроводниковых (п/п) приборов изготовляют на основе примесных полупроводников . Таким образом в рабочем диапазоне температур полупроводникового прибора… [читать подробенее]


  • — Примесные полупроводники

    Если в полупроводник вводится некоторая примесь, например пятивалентного элемента (сурьмы, фосфора, и т.п.), то атомы примеси частично заместят атомы полупроводника в кристаллической решетке, отдав четыре электрона на образование ковалентных связей. Пятый электрон будет… [читать подробенее]


  • — Примесные полупроводники

    Совершенная кристаллическая решетка – это определенная идеализация. В действительности кристалл содержит целый ряд самых различных дефектов. Первым таким дефектом является граница кристалла. Здесь порядок упаковки атомов нарушается, что приводит не только к искажению… [читать подробенее]


  • — Примесные полупроводники

    В полупроводниковой электронике наибольшее применение получили элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева – кремний Si и германий Ge. Эти элементы кристаллизуются в кристаллическую решетку алмазного типа, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими… [читать подробенее]


  • — Примесные полупроводники

    Полупроводник, который не имеет посторонних примесей, называется собственным полупроводником. В полупроводниковых приборах широко применяются полупроводниковые материалы с электропроводностью п-ти-па или р-типа. В тщательно очищенный полупроводник с содержанием… [читать подробенее]


  • — Примесные полупроводники

    Увеличить электропроводность полупроводника можно путем введения примесей, увеличивая тем самым концентрацию дырок или электронов. Такой полупроводник называется примесным. Номинальная концентрация примеси составляет 1016…1018 атомов примеси в 1 см3 основного вещества…. [читать подробенее]


  • — Полупроводник N и P – типов (примесные полупроводники).

    Уравнение плотности полного тока в полупроводнике. У чистых или собственных полупроводников концентрация электронов и дырок одинакова. Электропроводимость собственного (беспримесного) полупроводника очень низка. В большинстве электронных приборов… [читать подробенее]


  • — Собственные и примесные полупроводники

    Полупроводник будет являться собственным, если содержание примесей в нем, влияющих на электропроводность, ничтожно мало. Если же в состав материала входят некоторые легирующие добавки, то такой материал называется примесным полупроводником. Свободные носители в… [читать подробенее]


  • Тест по электроматериаловедению по теме: Полупроводники

    1. Что обозначает буква Г в маркировке сложного полупроводника АГЧЦ-2 1-19:

    а) номер марки

    б) легирующие примеси

    в) вид материала

    г) способ получения

    1. Темно-серый кристаллический материал с металлическим блеском, относится к IV группе периодической системы элементов:

    а) кремний

    б) кристаллический германий

    в) кристаллический кремний

    г) селен

    1. К какому типу полупроводниковых материалов относиться теллурид висмута (Bi2Te3):

    а) сложный полупроводник типа АIIIВV

    б) сложный полупроводник типа АIIВVI

    в) сложный полупроводник типа АIVВVI

    г) сложный полупроводник типа А2VВ3VI

    Тест по теме: «Полупроводники»

    Вариант 7

    1. Ведущее место среди материалов занимают полупроводники:

    а) кремний, селен, карбид кремния

    б) селен, германий, карбид кремния

    в) кремний, германий, селен

    г) кремний, германий, карбид кремния

    1. Собственным полупроводником называют:

    а) полупроводник, в котором можно пренебречь влиянием примесей при любой температуре

    б) полупроводник, в котором можно пренебречь влиянием молекул при данной температуре

    в) полупроводник, в котором можно пренебречь влиянием примесей при данной температуре

    г) полупроводник, в котором нельзя пренебречь влиянием примесей при данной температуре

    1. Полупроводники в зависимости от степени чистоты делят на:

    а) непримесные и примесные

    б) собственные и примесные

    в) собственные и несобственные

    г) собственные и непримесные

    1. Проводимость полупроводников при увеличении освещённости:

    а) не изменяется

    б) увеличивается

    в) уменьшается

    г) сначала увеличивается, затем увеличивается

    1. К какой группе полупроводниковых материалов относятся кремний, теллур, селен, германий?

    а) простые полупроводники

    б) сложные полупроводники

    в) оксидные полупроводники

    г) органические полупроводники

    1. Полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения:

    а) фоторезистор

    б) позистор

    в) термистор

    г) варистор

    1. Полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется при воздействии на него оптического излучения:

    а) фоторезистор

    б) транзистор

    в) конденсатор

    г) тиристор

    1. Если в четырехвалентный кремний добавить пятивалентный висмут, то такая примесь будет называться:

    а) акцепторной

    б) примесной

    в) собственной

    г) донорной

    1. Установить соответствие между названием полупроводникового прибора и его определением:

    1. Что обозначает цифра 1 в маркировке сложного полупроводника АГЧЦ-2 1-19:

    а) номер марки

    б) величина концентрации основных носителей заряда

    в) вид материала

    г) показатель степени десятичного порядка

    1. Темно-серое твердое и хрупкое вещество с металлическим блеском, химически довольно инертное, относится к IV группе периодической системы элементов:

    а) теллур

    б) кристаллический германий

    в) кристаллический кремний

    г) селен

    1. К какому типу полупроводниковых материалов относиться селенид цинка (ZnSe):

    а) сложный полупроводник типа АIIIВV

    б) сложный полупроводник типа АIIВVI

    в) сложный полупроводник типа АIVВVI

    г) сложный полупроводник типа А2VВ3VI

    Тест по теме: «Полупроводники»

    Вариант 8

    1. Для полупроводников характерна зависимость удельного электрического сопротивления от:

    а) от изменения температуры

    б) от изменения напряжения

    в) от введения примесей

    г) от всех перечисленных характеристик

    1. Основными параметрами полупроводниковых материалов являются:

    а) удельная объемная электропроводность, температурный коэффициент линейного расширения, предел упругости

    б) ширина запрещенной зоны, концентрация собственных носителей заряда, подвижность носителей заряда при нормальной температуре

    в) диэлектрическая проницаемость, удельное сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь

    г) магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, удельное сопротивление

    1. Процесс контролируемого введения в полупроводник необходимых примесей называется?

    а) легированием

    б) поляризацией

    в) адгезией

    г) аллотропией

    1. Какие из типов сложных полупроводников существуют:

    а) АV В V, А III В II, АII ВV, АV ВIII, А3V В 5VI

    б) АIV В IV, А III ВV, АII ВVI, АIV ВVI, А2V В3VI

    в) АII В IV, А II ВV, АVIII ВV, АV ВVI, А3V В 3VI

    г) АIV ВV, А III В IV, АII ВVI, АIV ВVI, А5V В 3V

    1. Название терморезистора, сопротивление которого с ростом температуры падает:

    а) позистор

    б) варистор

    в) термистор

    г) фоторезистор

    1. Полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления переменного тока:

    а) туннельный

    б) стабилитрон

    в) варикап

    г) выпрямительный

    1. Какие полупроводниковые приборы применяются для получения неизменяющегося напряжения:

    а) динисторы

    б) стабилитроны

    в) варикапы

    г) тиристоры

    1. Вещества, удельная электрическая проводимость которых меньше, чем у металлов и больше, чем у диэлектриков – это:

    а) полупроводники

    б) проводники

    в) диэлектрики

    г) магниты

    1. Установить соответствие между понятиями и выполняемой ими операцией:

    Б. примесь, снабжающая полупроводник

    свободными электронами

    Внешние полупроводники – Определение и внешние VS Внутренние полупроводники

    Полупроводники – это материалы, значение электропроводности которых находится между значением электропроводности изолятора, такого как стекло, и проводника, такого как медь. Типичными примерами полупроводников являются кремний и германий, которые также известны как элементарные полупроводники. Примерами составных полупроводников являются Cds, GaAs, CdSe, антрацен, легированные фталоцианины и т. д. Диоды, транзисторы и интегральные схемы — это некоторые электронные устройства, в которых в основном используются полупроводники.Область применения этих устройств широка, поскольку они достаточно доступны по цене, компактны, надежны и энергоэффективны. Есть в основном два типа полупроводников, и это собственные полупроводники и внешние полупроводники.

     

    Что такое собственные полупроводники?

    Собственные полупроводники (определение). Собственные полупроводники – это те полупроводники, которые всегда находятся в исключительно чистой форме. Он также известен как нелегированный полупроводник. Он показывает низкую электропроводность при комнатной температуре, и его проводимость зависит от температуры.Поэтому собственные полупроводники обычно не используются в электронных устройствах из-за их низкой электропроводности. Примерами являются кремний (Si) и германий (Ge). Собственный полупроводник действует как идеальный изолятор при абсолютном нуле, что означает, что его проводимость равна нулю.

     

    Что такое внешние полупроводники?

    Внешние полупроводники (определение) — Внешние полупроводники — это те полупроводники, которые возникают, когда к собственным полупроводникам добавляется измеренное и небольшое количество химических примесей.Он также известен как легированный полупроводник или полупроводник с примесями. Легирование полупроводников увеличивает их проводимость. Процесс преднамеренного добавления желаемой примеси известен как легирование, а атомы примеси называются легирующими примесями. Внешние полупроводники подразделяются на два типа: полупроводники N-типа и полупроводники P-типа.

    Разница между внешними и внутренними полупроводниками

    Основная разница между внешними и внутренними полупроводниками:

    внутренние полупроводники

    Внешние полупроводники

    1.Внутренние полупроводники всегда находятся в чистом виде.

    1. Внешние полупроводники изготавливаются путем легирования некоторых примесей в чистые полупроводники.

    2. Обладают низкой электропроводностью при комнатной температуре.

    2. Обладают сравнительно высокой электропроводностью.

    3. №. электронов равны нет. отверстий.

    3. №. электронов не равно нет.отверстий.

    4. Зависит только от температуры.

    4. Зависит от температуры и количества примесей.

    5. Далее не классифицируется.

    5. Далее он классифицируется как полупроводники n-типа и полупроводники p-типа.

    6. Примерами являются кремний и германий.

    6. Примерами являются Si и Ge, легированные Al, In, P, As и т. д.

     

    Таким образом, это некоторые из основных различий между внешними и собственными полупроводниками.

     

    Знаете ли вы?

    Полупроводники используются в различных электрических устройствах, таких как компьютеры, Интернет, смартфоны, планшеты. Они широко используются в современном мире. Все эти устройства было бы невозможно сделать без полупроводников. В 1821 году эффект полупроводников впервые заметил Томас Йохан Зеебек.Исследования полупроводников проводились в лабораториях в начале 1830-х годов.

     

    В 1833 году Майкл Фарадей экспериментировал с сульфидом серебра и обнаружил, что проводимость сульфида серебра увеличивается с повышением температуры. Такое поведение сульфида серебра противоположно металлам, таким как медь, у которых его проводимость уменьшается с повышением температуры.

     

    Советы по изучению внешних полупроводников

    Через приведенные выше абзацы о значении полупроводников, их типах и различиях между внешними и внутренними полупроводниками учащиеся, должно быть, получили много информации.

    Так как это одна из самых важных тем химии, вам может понадобиться знать о некоторых хитростях, чтобы легко подготовиться к этому предмету, читайте дальше, чтобы узнать об этом.

    Прежде чем составлять расписание, чтобы подготовиться к чему-либо, вы должны иметь в виду несколько вещей. Один из самых важных из них — уметь грамотно распределять время по каждой теме. Студенты должны понимать, что оставление чего-либо из содержания обучения может стоить вам больше, чем вы могли себе представить, и поэтому важно, чтобы вы изложили свою программу с максимальной искренностью и пониманием.Помимо этого, студентам также рекомендуется придерживаться составленного ими плана, потому что откладывание задач не позволяет вам оставаться последовательным и верным своей цели, а без этого ничего нельзя достичь.

    Еще один важный шаг, которому студенты должны постоянно следовать, независимо от уровня, на котором они находятся, — это понимать концепции, а не просто копаться в них. Это потому, что это понимание обеспечивает лучшее запоминание и помогает заложить прочный фундамент на предстоящие годы.Возможность использовать знания, которые вы получили за эти годы, является еще одним преимуществом, которого вы с нетерпением ждете. Это означает, что вы сможете набрать больше баллов, если решите понимать и учиться, а не зубрить.

    Одна из самых эффективных техник, которую студенты должны использовать, — это практика. На самом деле, вы не сможете ничего освоить, если не будете постоянно практиковать эту концепцию. Следовательно, рекомендуется, чтобы учащиеся тратили много времени на проверку своих знаний и пытались ответить на как можно больше вопросов.Это также позволяет учащимся запоминать вещи в течение более длительного времени, а также гарантирует, что информация сохраняется в их памяти. Это также один из наиболее эффективных способов максимизировать отдачу от обучения.

    Самооценка — главный ключ, особенно когда у студентов не за горами экзамены. Это позволяет вам получить представление о том, что вы уже поняли, и проверить свои знания. Это также позволяет вам изучить шаблон, которому вы обычно следуете, и, кроме того, помогает вам внести соответствующие изменения в план действий, который вы используете в настоящее время.Поскольку это отличный способ взять под контроль свои знания и оценки, он помогает вам управлять своим расписанием и разрабатывать эффективные стратегии, которые помогут вам набрать больше очков.

    Учащиеся должны иметь возможность критически оценивать свою работу, поскольку это позволяет им точно знать свою работу. Вы сможете определить области, в которых вы слабы, области, которые являются вашими сильными сторонами, и области, требующие большего внимания. Все эти наблюдения в дальнейшем должны быть использованы для разработки плана, который позволит вам улучшить общую успеваемость и улучшить понимание предмета.

    Внутренние и внешние полупроводники

    ПредыдущийСледующий

    В большинстве чистых полупроводников при комнатной температуре популяция термически возбужденных носителей заряда очень мала. Часто концентрация носителей заряда может быть на порядки ниже, чем для металлического проводника.Например, число термически возбужденных электронов см –3 в кремнии (Si) при 298 К составляет 1,5 × 10 10 . В арсениде галлия (GaAs) заселенность составляет всего 1,1 × 10 6 электронов см –3 . Это можно сравнить с числовой плотностью свободных электронов в типичном металле, которая составляет порядка 10 28 электронов см -3 .

    Учитывая такое количество носителей заряда, неудивительно, что кремний и другие полупроводники, когда они очень чистые, имеют высокое электрическое сопротивление и, следовательно, низкую электрическую проводимость.Эту проблему можно решить путем легирования полупроводникового материала примесными атомами. Даже очень небольшие контролируемые добавки атомов примеси на уровне 0,0001% могут очень сильно повлиять на проводимость полупроводника.

    Легче всего начать с конкретного примера. Кремний является элементом IV группы и имеет 4 валентных электрона на атом. В чистом кремнии валентная зона полностью заполнена при абсолютном нуле. При конечных температурах единственными носителями заряда являются электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, возникающие в результате термического возбуждения электронов в зону проводимости.Эти носители заряда называются собственными носителями заряда, и обязательно имеется равное количество электронов и дырок. Таким образом, чистый кремний является примером собственного полупроводника .

    Если очень небольшое количество атомов элемента группы V, такого как фосфор (P), добавить к кремнию в качестве замещающих атомов в решетке, в материал вводятся дополнительные валентные электроны, поскольку каждый атом фосфора имеет 5 валентных электронов. Эти дополнительные электроны слабо связаны со своими родительскими примесными атомами (энергия связи порядка сотых долей эВ), и даже при очень низких температурах эти электроны могут продвигаться в зону проводимости полупроводника.Это часто схематически изображается на диаграммах зон добавлением «донорных уровней» чуть ниже дна зоны проводимости, как на схеме ниже.

    Наличие пунктирной линии на этой схеме не означает, что внутри запрещенной зоны теперь существуют разрешенные энергетические состояния. Пунктирная линия показывает наличие дополнительных электронов, которые могут быть легко возбуждены в зону проводимости. Полупроводники, легированные таким образом, будут иметь избыток электронов и называются полупроводниками типа n .В таких полупроводниках электроны являются основными носителями.

    И наоборот, если элемент группы III, такой как алюминий (Al), используется для замещения некоторых атомов в кремнии, в материале будет дефицит числа валентных электронов. Это вводит уровни, принимающие электроны, чуть выше вершины валентной зоны и приводит к тому, что в валентную зону вводится больше дырок. Следовательно, в данном случае основными носителями заряда являются положительные дырки. Полупроводники, легированные таким образом, называются полупроводниками типа p .

    Легированные полупроводники (типа n или p ) известны как внешние полупроводники . Энергия активации электронов, которые должны быть отданы или приняты в примесные состояния, обычно настолько мала, что при комнатной температуре концентрация основных носителей заряда аналогична концентрации примесей. Следует помнить, что в примесном полупроводнике есть вклад в общее число носителей заряда от собственных электронов и дырок, но при комнатной температуре этот вклад часто очень мал по сравнению с числом носителей заряда, вносимым контролируемым примесным легированием. полупроводника.

    Внутренний и внешний полупроводник | Nuclear-power.com

    Детектор с силиконовой полоской Источник: micronsemiconductor.co.uk

    В целом, полупроводники представляют собой материалы, неорганические или органические, которые обладают способностью контролировать свою проводимость в зависимости от химической структуры, температуры, освещения и присутствия примеси.Название полупроводник происходит от того факта, что эти материалы имеют электрическую проводимость между металлом, таким как медь, золото и т. д., и изолятором, таким как стекло. У них энергетическая щель менее 4 эВ (около 1 эВ). В физике твердого тела эта энергетическая щель или запрещенная зона представляет собой диапазон энергий между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены. В отличие от проводников, электроны в полупроводнике должны получать энергию (например,, от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Свойства полупроводников определяются энергетической щелью между валентной зоной и зоной проводимости.

    Собственный и внешний полупроводник

    Собственный полупроводник

    Собственный полупроводник является полностью чистым полупроводником без каких-либо значительных примесей. Поэтому собственные полупроводники также известны как чистые полупроводники или полупроводники i-го типа.

    Таким образом, количество носителей заряда при определенной температуре определяется свойствами самого материала, а не количеством примесей. Обратите внимание, что 1 см 3 образца чистого германия при 20 °C содержит около 4,2×10 22 атомов, но также содержит около 2,5×10 13 свободных электронов и 2,5×10 13 дырок. Эти носители заряда создаются путем теплового возбуждения. В собственных полупроводниках число возбужденных электронов и число дырок равны: n = p .Электроны и дырки создаются путем возбуждения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Электронная дыра (часто называемая просто дыркой) — это отсутствие электрона в положении, в котором он мог бы существовать в атоме или атомной решетке. Это равенство может иметь место даже после легирования полупроводника, но только в том случае, если он легирован как донорами, так и акцепторами в равной степени. В этом случае n = p все еще выполняется, и полупроводник остается собственным, хотя и легированным.

    Полупроводники имеют энергетическую щель менее 4 эВ (около 1 эВ).Ширина запрещенной зоны, естественно, различна для разных материалов. Например, алмаз представляет собой широкозонный полупроводник (Egap = 5,47 эВ) с высоким потенциалом использования в качестве материала электронных устройств во многих устройствах. С другой стороны, германий имеет небольшую ширину запрещенной зоны (E ширина запрещенной зоны = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах. В физике твердого тела эта энергетическая щель или запрещенная зона представляет собой диапазон энергий между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены.В отличие от проводников электроны в полупроводниках должны получать энергию (например, от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости.

    Внешние полупроводники

    Внешние полупроводники или легированные полупроводники — это полупроводники, в которые были преднамеренно легированы с целью модуляции его электрических, оптических и структурных свойств. В случае полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений легированием называется преднамеренное введение примесей в собственный полупроводник с целью изменения его электрических свойств.Поэтому собственные полупроводники также известны как чистые полупроводники или полупроводники i-го типа.

    Добавление небольшого процента посторонних атомов в правильную кристаллическую решетку кремния или германия приводит к резкому изменению их электрических свойств, поскольку эти посторонние атомы, включенные в кристаллическую структуру полупроводника, обеспечивают свободных носителей заряда (электронов или электронов). отверстия) в полупроводнике. Во внешнем полупроводнике именно эти чужеродные легирующие атомы в кристаллической решетке в основном обеспечивают носители заряда, которые переносят электрический ток через кристалл.Как правило, существует два типа легирующих атомов, что приводит к двум типам внешних полупроводников. Эти примеси, вызывающие желаемые контролируемые изменения, классифицируются как акцепторы электронов или доноры , а соответствующие легированные полупроводники известны как: излучение. Для этих целей полупроводниковый диод (устройства, пропускающие ток только в одном направлении) обычно состоит из полупроводников p-типа и n-типа, соединенных друг с другом.

    Основное различие между внешними и внутренними полупроводниками

    Основное различие между внешними и внутренними полупроводниками заключается в том, что внешние полупроводники не являются чистыми, в них есть некоторые примеси, добавленные вручную путем погружения, в то время как собственные полупроводниковые материалы чистые, в них нет примесей. Полупроводник — это тип материала, чьи свойства проводимости электрического тока различаются между проводящим материалом и изоляционным материалом. Свойство проводимости тока полупроводника также нелинейно.Но это свойство очень полезно в электронике. По сути, без полупроводникового материала электроника невозможна. Внешние и внутренние полупроводники являются двумя основными типами полупроводников.

    Внутренний полупроводник

    Внутренний полупроводник — это чистая форма полупроводника. Он также известен как нелегированный полупроводник или полупроводник i-типа. Поскольку примесей нет, то и носитель заряда можно определить по свойствам самого материала.В собственном полупроводнике число электронов в его зоне проводимости равно количеству дырок в его валентной зоне. Этот тип полупроводника проводит электрический ток с помощью электронного возбуждения или кристаллографических дефектов.

    Внутренние полупроводники также бывают двух типов — с непрямой запрещенной зоной и с прямой запрещенной зоной. Косвенная запрещенная зона — это такая, при которой увеличение энергии в валентной зоне не равно уменьшению энергии в зоне проводимости. С другой стороны, прямая запрещенная зона — это та, в которой увеличение энергии в валентной зоне равно уменьшению энергии в зоне проводимости.

    Примерами собственных полупроводников являются чистый кремний, германий и т. д.

    Внешний полупроводник

    Внешний полупроводник представляет собой нечистый материал. Он сделан только из собственных полупроводников. Во время его производства химическое вещество или микроэлемент, называемый легирующим агентом, смешивается или капает с собственным полупроводником. Это делается для того, чтобы изменить электрические свойства материала. По типу легирующего агента внешние полупроводники также делятся на два типа — полупроводники P-типа и полупроводники N-типа.

    P означает плюс или отверстие. Полупроводник P-типа изготавливается путем легирования атомов-акцепторов электронов. В полупроводнике P-типа большинство носителей являются дырками. N означает отрицательный или электроны. Полупроводник N-типа состоит из легирующих атомов доноров электронов. В полупроводнике N-типа большинство носителей — электроны.

    Полупроводники P-типа и N-типа являются примерами внешних полупроводников.

    Внешние полупроводники VS Внутренние полупроводники

    1.Внешние полупроводники нечисты, тогда как внутренние полупроводники чисты.

    2. Свойства электропроводности внешнего полупроводника очень плохие, чем собственного полупроводника.

    3. Проводимость тока во внешних полупроводниках происходит из-за движения электронов и дырок между валентностью и зоной проводимости, тогда как проводимость тока в собственных полупроводниках происходит из-за возбуждения электронов или кристаллографических дефектов.

    4.Свойство проводимости тока внешнего полупроводника зависит как от температуры, так и от легирующего агента, тогда как свойство проводимости тока собственного полупроводника зависит только от температуры.

    5. Энергетическая характеристика внешнего полупроводника непостоянна, тогда как энергетическая характеристика собственного полупроводника плавная.

    Читайте также:  

    Благодарим Вас за посещение сайта. продолжайте посещать для получения дополнительных обновлений.

    9 Основные различия между собственными полупроводниками и внешними полупроводниками (с таблицей сравнения)

    Собственный полупроводник

    Собственный полупроводник полупроводник — это тот, который изготовлен из полупроводникового материала в его в чистом виде (без присутствия какого-либо значительного легирующего агента).В этом типе полупроводник, поэтому количество носителей заряда определяется свойства самого материала, а не количество примесей.

     Также может быть описывается как такой, в котором число электронов проводимости равно числу отверстий. При комнатной температуре собственный полупроводники имеют почти незначительную проводимость. В связи с тем, что никакой другой тип элемента присутствует в его кристаллической структуре.

    Внешний полупроводник

    Внешний полупроводник представляет собой улучшенный собственный полупроводник, в котором небольшая количество примесей добавляется в процессе, называемом легированием, который улучшает его проводимость и изменяет электрические свойства полупроводник.

    Легирующие агенты представляют собой пятивалентные атомы (атомы, имеющие пять валентные электроны) или трехвалентные атомы (атомы, имеющие три валентных электрона). Примеры пятивалентного легирующего атома включают: сурьму, мышьяк, фосфор и висмут. С другой стороны, примеры трехвалентных легирующих атомов включают: галлий, индий, алюминий и бор.

    Внешние полупроводники обладают высокой электрической проводимость. В отличие от собственного полупроводника, внешние полупроводники два типа полупроводников p-типа и n-типа.

    Разница

    1. Легирования или добавления примесей не бывает в собственных полупроводниках, тогда как небольшое количество примеси легировано в чистый полупроводник для приготовления примесного полупроводника.
    2. Электропроводность собственных полупроводник зависит только от температуры, тогда как электрическая проводимость примесных полупроводников также зависит от температуры как на примесных атомах, легированных в структуру.
    3. Плотность электронов и дырок в собственный полупроводник такой же, то есть количество свободных электронов присутствует в зоне проводимости равно количеству дырок в валентной зоне, однако в случае внешнего полупроводника количество электронов и дырок не равны.
    4. Уровень Ферми в собственном полупроводнике находится на центром запрещенной зоны и не изменяется при изменении температуры. Во внешнем полупроводнике уровень Ферми смещается вверх или вниз с изменение температуры.
    5. Электропроводность собственных полупроводники очень плохие, в то время как электропроводность внешних полупроводник неплохой.
    6. Собственные полупроводники практически не используются, тогда как внешние полупроводники практически используются.
    7. Чистая форма кристалла кремния и германия используется в собственном полупроводнике, тогда как примесь, такая как мышьяк, в чистом виде добавляют сурьму, фосфор, алюминий, индий и т. д. кремний и германий для формирования внешних полупроводников.
    8. Ширина запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной мала в собственных полупроводниках, тогда как во внешних ширина запрещенной зоны больше.
    9. Собственный полупроводник не имеет других классификация, в то время как внешние полупроводники могут быть классифицированы как n тип и р- типа .

    Читайте также: Разница между пробоем Зенера и лавинным пробоем

    Собственные полупроводники Против. Внешние полупроводники в табличной форме

    ОСНОВА СРАВНЕНИЯ СОБСТВЕННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИК ВНЕШНИЙ ПОЛУПРОВОДНИК
    Допинг Легирование или добавление примесей не происходит в собственных полупроводники. Небольшое количество примеси легируется в чистый полупроводник за подготовка внешнего полупроводника.
    Электропроводность Электропроводность зависит только от температуры. Электропроводность зависит как от температуры, так и от на примесных атомах, легированных в структуру.
    Количество отверстий и Электроны Количество свободных электронов в зоне проводимости равно количеству дырок в валентной зоне. Количество электронов и дырок не равно.
    Уровень Ферми Уровень Ферми находится в центре запрещенной зоны и не меняется при изменении температуры. Уровень Ферми смещается вверх или вниз при изменении температуры.
    Электропроводность Электропроводность собственных полупроводников очень плохая. Электропроводность внешнего полупроводника довольно хорошая.
    Использовать Собственные полупроводники практически не используются. Практически используются внешние полупроводники.
    Примеси Чистая форма кристалла кремния и германия используется в собственный полупроводник. Примеси, такие как мышьяк, сурьма, фосфор, алюминий, индий и т. д. добавляются к чистой форме кремния и германия для образования внешних полупроводники.
    Полоса частот/энергетическая щель Ширина запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной мала в собственные полупроводники. Во внешних полупроводниках ширина запрещенной зоны больше.
    Классификация Не имеет дополнительной классификации. Можно разделить на n тип и p- тип .

    Читайте также: Разница между полупроводником P-типа и полупроводником N-типа

    Предыдущая статьяiPhone 11 против.iPhone 11 Pro против. iPhone 11 Pro Max против. iPhone XR: что лучше или в чем разница?Следующая статья12 Разница между циклом Дизеля и циклом Отто (со схемой)

    Разница между внутренним и внешним полупроводником

    Опубликовано Admin

    Внутренний и внешний полупроводник
     

    Примечательно, что современная электроника основана на одном типе материала — полупроводниках.Полупроводники — это материалы, которые имеют промежуточную проводимость между проводниками и изоляторами. Полупроводниковые материалы использовались в электронике еще до изобретения полупроводниковых диодов и транзисторов в 1940-х годах, но после этого полупроводники нашли широкое применение в области электроники. В 1958 году изобретение интегральной схемы Джеком Килби из Texas Instruments подняло использование полупроводников в области электроники на беспрецедентный уровень.

    Естественно, полупроводники обладают свойством проводимости благодаря свободным носителям заряда.Такой полупроводник, материал, который естественным образом проявляет полупроводниковые свойства, известен как собственный полупроводник. Для разработки передовых электронных компонентов полупроводники были улучшены для обеспечения большей проводимости за счет добавления материалов или элементов, которые увеличивают количество носителей заряда в полупроводниковом материале. Такой полупроводник известен как внешний полупроводник.

    Подробнее о внутренних полупроводниках

    Проводимость любого материала обусловлена ​​электронами, высвобождаемыми в зону проводимости при тепловом возбуждении.В случае собственных полупроводников число высвобождаемых электронов относительно меньше, чем в металлах, но больше, чем в изоляторах. Это обеспечивает очень ограниченную проводимость тока через материал. При повышении температуры материала в зону проводимости входит больше электронов, и, следовательно, проводимость полупроводника также увеличивается. В полупроводнике есть два типа носителей заряда: электроны, выпущенные в валентную зону, и вакантные орбитали, более известные как дырки.Число дырок и электронов в собственном полупроводнике равно. И дырки, и электроны вносят свой вклад в ток. Когда применяется разность потенциалов, электроны движутся к более высокому потенциалу, а дырки движутся к более низкому потенциалу.

    Есть много материалов, которые действуют как полупроводники, и некоторые из них являются элементами, а некоторые являются соединениями. Кремний и германий — элементы с полупроводниковыми свойствами, а арсенид галлия — соединение. Как правило, элементы группы IV и соединения элементов групп III и V, такие как арсенид галлия, фосфид алюминия и нитрид галлия, проявляют внутренние полупроводниковые свойства.

    Подробнее о внешних полупроводниках

    Путем добавления различных элементов можно улучшить свойства полупроводника, чтобы проводить больший ток. Процесс добавления известен как легирование, а добавленный материал известен как примеси. Примеси увеличивают количество носителей заряда в материале, обеспечивая лучшую проводимость. В зависимости от поставляемого носителя примеси классифицируются как акцепторы и доноры. Доноры — это материалы, содержащие несвязанные электроны в решетке, а акцепторы — это материалы, оставляющие дырки в решетке.Для полупроводников IV группы акцепторами выступают элементы III группы Бор, Алюминий, а элементами V группы Фосфор и мышьяк — донорами. Для соединений полупроводников II-V групп донорами являются селен, теллур, а акцепторами — бериллий, цинк и кадмий.

    Если в качестве примеси добавить некоторое количество акцепторных атомов, количество дырок увеличится, и материал будет иметь избыток носителей положительного заряда, чем раньше. Поэтому полупроводник, легированный акцепторной примесью, называется полупроводником положительного или P-типа.Точно так же полупроводник, легированный донорной примесью, которая оставляет в материале избыток электронов, называется полупроводником отрицательного или N-типа.

    Полупроводники используются для производства различных типов диодов, транзисторов и связанных с ними компонентов. Лазеры, фотоэлектрические элементы (солнечные элементы) и фотодетекторы также используют полупроводники.

    В чем разница между собственными и внешними полупроводниками?

    • Нелегированные полупроводники называются собственными полупроводниками, а полупроводниковый материал, легированный примесями, называется внешним полупроводником.
    • Количество носителей положительного заряда (дырок) и носителей отрицательного заряда в собственных полупроводниках одинаково, а при добавлении примесей количество носителей заряда изменяется; следовательно, неодинаковы во внешних полупроводниках.
    • Собственные полупроводники имеют относительно более низкую проводимость, чем внешние полупроводники.

    Внутренние и внешние полупроводники — квантовые ямы

    Полупроводники имеют значения электропроводности между металлами и изоляторами.Еще одна характеристика полупроводников заключается в том, что электропроводность сильно зависит от температуры и уровня примесей или легирующих примесей. Типичные полупроводники могут быть элементарными (Si, Ge), комбинацией элементов III и V групп (GaAs, GaP), II и VI (ZnS, CdTe) и т. д. Полупроводниковая щель обычно составляет от нескольких десятых долей эВ до примерно 3 эВ. . Если зазор составляет от 2 до 3 эВ, говорят, что полупроводники имеют широкую запрещенную зону, а если он составляет около 4 эВ или больше, материал считается изолятором.

    Собственные полупроводники демонстрируют высокую степень чистоты и прекрасно кристаллизуются. Кремний является одним из наиболее часто используемых полупроводников для изготовления электронных устройств. В кристаллическом состоянии атомы кремния занимают тетраэдрические позиции в гранецентрированной кубической решетке, подобной решетке алмаза, делясь своими четырьмя валентными электронами с четырьмя ближайшими соседями в ковалентных связях (рис. 3.4(а)). При температуре 0 К все связи заняты электронами и валентная зона полностью заполнена, тогда как зона проводимости полностью пуста.Когда температура поднимается выше 0 К (рис. 3.4(б)), некоторые электроны могут получить достаточную энергию от колебаний атомов (тепловую энергию), чтобы разорвать связь и освободиться; в этом процессе также создается отверстие. Энергия, необходимая электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости, по крайней мере равна энергии щели. Важно отметить, что в собственных полупроводниках каждый раз, когда электрон переносится из валентной зоны в зону проводимости, дырка

    (а)

    электрон

    о о о о

    О О К О

    О О О 0

    о о о о

    О 0 оооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооо

    О О о о о о о о

    ° О 00 О 00 О 00 о °

    о о о о о отверстие • о ° ° °

    О И о о о электрон

    Рис. 3.4. (а) решетка кремния; б) если T > 0, часть связей разрывается, освобождая электрон и дырку. (Созданные электроны и дырки могут свободно перемещаться по кристаллу.)

    создается в валентной зоне. Поэтому в собственном полупроводнике концентрация электронов должна быть равна концентрации дырок. Очевидно, что фотоны с энергией, превышающей величину щели, также могут создавать электронно-дырочные пары — явление, которое используется во многих оптоэлектронных устройствах.

    Полупроводники, в основном используемые в производстве таких устройств, как диоды, транзисторы, солнечные элементы и т. д.являются внешними полупроводниками, которые могут быть получены из собственных полупроводников путем контролируемого добавления легирующих примесей. Концентрация добавленных примесей определяет электропроводность внешних полупроводников. На рис. 3.5 показано двумерное представление решетки кремния, где каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседями. Предположим, что некоторые пятивалентные примесные атомы, такие как As, Sb и т.J

    • Q

    донорские уровни

    Рис. 3.5. (а) Пятивалентный атом примеси в кремнии; (б) зонная диаграмма полупроводника n-типа.

    (Электроны могут покинуть примесные атомы, если будет обеспечена энергия Ed, и могут свободно перемещаться по кристаллу; донорные примеси становятся статическими положительными ионами.)

    атомов на 105-108 атомов Si. На рис. 3.5(а) показан примесный атом Sb с валентностью +5 в решетке кремния, где он замещает атом Si. Четыре валентных электрона Sb делят электроны с четырьмя ближайшими соседями.Однако пятый электрон не участвует в ковалентной связи и остается очень слабо связанным с атомом Sb. При температуре окружающей среды большинство этих электронов получают достаточно энергии, чтобы покинуть атом и свободно перемещаться по кристаллу. Как следствие, примесный атом Sb становится положительно ионизированным. На энергетической диаграмме описанный выше процесс может быть представлен переносом электрона с энергетического уровня Ed ниже зоны проводимости на край зоны проводимости (рис. 3.5, б).Примеси такого типа, отдающие электроны в зону проводимости, называются донорами, а соответствующий полупроводник называется n-типом, так как концентрация электронов значительно превышает концентрацию дырок, т. е. n > p. Энергию ионизации Ed можно оценить, сравнивая описанную выше ситуацию с ситуацией для водородного атома, поскольку лишний пятый электрон притягивается положительно заряженным ионом Sb. Следовательно, уравнение Уравнение (2.15) главы 2, дающее энергию атома водорода, может быть использовано для оценки Ed после некоторых поправок.Во-первых, поскольку кулоновская система, образованная ионом или положительным зарядом и электроном, находится внутри материальной среды, то (er)2 следует включить в знаменатель, где er — относительная диэлектрическая проницаемость; кроме того, масса электрона в вакууме должна быть заменена эффективной массой электрона в полупроводнике. Этот расчет дает значения Ed около 0,05 эВ, которые порядка значений, определенных экспериментально.

    Если трехвалентные примеси с валентностью +3, такие как бор, сначала добавить к собственному кремнию (рис. 3.6) три валентных электрона ковалентно разделены с тремя из четырех ближайших соседних атомов Si; однако одна из ковалентных связей имеет только один электрон, поскольку для завершения связи не хватает одного электрона.

    Рисунок 3.6. (а) Трехвалентный атом примеси в кремнии; (б) зонная диаграмма полупроводника р-типа. (Если обеспечить энергию Ea, акцепторные примеси могут захватывать электроны из валентной зоны, превращаясь в статические отрицательные ионы и одновременно создавая свободные дырки.)

    Рисунок 3.6. (а) Трехвалентный атом примеси в кремнии; (б) зонная диаграмма полупроводника р-типа. (Если обеспечить энергию Ea, акцепторные примеси могут захватывать электроны из валентной зоны, превращаясь в статические отрицательные ионы и одновременно создавая свободные дырки.)

    Таким образом, состояние, соответствующее отсутствующему электрону, является дыркой (раздел 2.6.3). При термической активации соседние электроны могут двигаться, чтобы занять пустое состояние, образуя дырки в валентной зоне. Энергия активации этого процесса обычно очень мала, и поэтому при комнатной температуре большинство трехвалентных примесей получают дополнительный электрон для завершения связи, становясь отрицательными ионами.В этом процессе создается количество отверстий, равное количеству примесей. Следовательно, добавление трехвалентных примесей, называемых акцепторами, может создавать дырки в валентной зоне. На энергетической диаграмме примесные уровни могут быть представлены на уровне энергии ионизации акцептора, Ea, над краем валентной зоны, поскольку электроны из валентной зоны продвигаются по энергии на уровень акцептора примеси, тем самым создавая дырку в валентной зоне.

    Легирование в соединениях AIIIBV можно рассматривать так же, как и в случае кремния.Если примеси столбца VI, такие как Se или S, занимают позиции As (валентность 5) в GaAs, они служат донорами. С другой стороны, если примеси столбца II, такие как, например, Be или Cd, занимают позиции Ga (валентность 3), они действуют как акцепторы.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.