СОБСТВЕННЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ — Студопедия

В собственном полупроводнике переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 32) возможен при достаточной величине энергии, которая подводится извне (например, при определенной величине напряженности электрического поля, силы света, энергии тепла и т.п.). На месте электронов, перешедших в зону проводимости, в валентной зоне образуются дырки. Электропроводность собственных полупроводников носит электронный характер, т.е. является электропроводностью n-типа. Это объясняется тем, что эффективная масса дырки больше эффективной массы электрона , в результате чего электроны подвижнее дырок.

Рисунок 32 – Энергетическая диаграмма собственного полупроводника

В примесном полупроводнике с донорной примесью существуют дополнительные примесные уровни, которые заполнены электронами и находятся вблизи зоны проводимости (рис. 33). При незначительных внешних энергетических воздействиях наблюдается переброс электронов с примесных уровней в зону проводимости. В связи с тем, что примесные уровни и зона проводимости расположены недалеко друг от друга, для этого переброса требуется небольшая энергия активации W_а. При еще больших внешних энергетических воздействиях возможен переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости, которые преодолевают запрещенную зону с затратой уже большей энергии W_з. Электроны, покидая примесные уровни, оставляют на своих местах дырки. Поскольку примесные уровни являются разобщенными, дырки, образовавшиеся на них, будут локализованы, и не будут принимать участие в электропроводности такого полупроводника. Таким образом, описанный выше примесный полупроводник является донорным и его электропроводность обусловлена электронами, т.е. это полупроводник

n-типа. В нем основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки.

Рисунок 33 – Энергетическая диаграмма примесного полупроводника с донорной примесью

В примесном полупроводнике с акцепторной примесью примесные уровни располагаются на небольшом расстоянии над валентной зоной, причем они не заполнены (рис. 34). Под действием небольших внешних энергетических воздействий электроны из валентной зоны будут переходить на примесные уровни, оставляя на своих местах дырки. Для осуществления этого требуется небольшая энергия активации W_а. В виду разобщенности примесных уровней электроны, попавшие на них, будут локализованы. При еще больших внешних энергетических воздействиях будет осуществляться переход дырок из валентной зоны в зону проводимости. Для этого потребуется затратить энергию

W_з. Таким образом, в описанных выше полупроводниках электропроводность обусловлена дырками и они являются полупроводниками p-типа. В этом случае дырки являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.

Рисунок 34 – Энергетическая диаграмма примесного полупроводника с акцепторной примесью

Собственные и примесные полупроводники — Студопедия

К полупроводникам относят радиоматериалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от температуры и концентрации примесей, что объясняется особенностями их кристаллической структуры. Основными материалами, применяемыми в полупроводниковой электронике, являются четырехвалентные кремний (Si) и германий (Ge), а также арсенид галлия GaAs. Полупроводник, кристаллическая решетка которого не содержит атомов другой валентности, называется собственным полупроводником, или полупроводниками типа i (от английского intrinsic-собственный). Практически в кристаллической решетке полупроводника всегда присутствуют примеси, однако их концентрация столь ничтожна, что ею можно пренебречь.

Кристаллическая решетка собственного полупроводника состоит из элементарных кубических ячеек (рис.2.1). Каждый атом, расположенный в центре куба, связан с четырьмя атомами, расположенными в углах куба. В свою очередь каждый атом, расположенный в углах куба, связан с четырьмя атомами, расположенными в центрах соседних кубов. Атомы в кристаллической решетке полупроводника расположены упорядоченно на таких расстояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки перекрываются, и у электронов соседних атомов появляются общие орбиты, посредством которых образуются ковалентные связи. Если валентность атомов равна четырем, то вокруг каждого из атомов, помимо четырех собственных, вращаются еще четыре «чужих» электрона, вследствие чего вокруг атомов образуются прочные электронные оболочки, состоящие из восьми обобществленных валентных электронов. В 1 см

3 германия содержится атомов, кремния атомов, арсенида галлия атомов. В узлах кристаллической решетки арсенида галлия чередуются пятивалентные атомы мышьяка и трехвалентные атомы галлия, вокруг которых также образуются электронные оболочки из восьми обобществленных электронов

Плоская модель кристаллической решетки собственного полупроводника показана на рис.2.2

Рис.2.1 Рис.2.2

При сообщении кристаллической решетке некоторого дополнительного количества энергии, например, путем нагрева, электрон может покинуть ковалентную связь и превратиться в свободный носитель электрического заряда. В результате ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется «вакантное» место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи. При этом вакантное место перемещается к другому атому Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки принято рассматривать как перемещение некоторого положительного заряда, называемого дыркой. Величина этого заряда равна заряду электрона. Процесс образования свободных электронов и дырок под воздействием тепла называют тепловой генерацией. Она характеризуется скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Помимо тепловой генерации возможна генерация под воздействием света или каких-либо других энергетических воздействий. Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического движения, средняя тепловая скорость которого определяется формулой:

.

Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью рекомбинации R, определяющей количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени. Каждый из подвижных носителей заряда существует («живет») в течение некоторого промежутка времени, среднее значение которого называют временем жизни носителей заряда и обозначают для электронов t

n, а для дырок t_p. В собственном полупроводнике t_n=t_p=t_i.

В равновесном состоянии генерация и рекомбинация протекают с одинаковой скоростью (R=G), поэтому в полупроводнике устанавливается собственная концентрация электронов, обозначаемая n_i, и собственная концентрация дырок, обозначаемая p_i. Поскольку электроны и дырки генерируются попарно, то в собственном полупроводнике выполняется условие: n_i=p_i. При комнатной температуре в кремнии n_i=p_i=1,4×10¹⁰ см^-3, в германии n_i=p_i=2,5×10¹³ см^-3

в арсениде галлия n_i=p_i=1,8см^-3.

Полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо четырехвалентных атомов содержит атомы с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, и их концентрация превышает собственную концентрацию носителей заряда, называют примесными. Если валентность примесных атомов больше валентности основных атомов, например, в кристаллическую решетку кремния введены пятивалентные атомы мышьяка, то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в ковалентной связи, то есть становится лишним, (рис.2.3,а) и легко отрывается от атома, становясь свободным. При этом примесный атом оказывается ионизированным и приобретает положительный заряд. Такой полупроводник называют электронным или полупроводником типа n (от латинского negative-отрицательный), а примесные атомы называют донорами.

Если в кристаллическую решетку кремния введены атомы трехвалентной примеси, например атомы алюминия, то одна из ковалентных связей оказывается незаполненной (рис.2.3,б). При незначительном тепловом воздействии электрон одной из соседних связей может перейти в незаполненную связь, а на том месте, откуда пришел электрон, возникает дырка. При этом примесный атом приобретает отрицательный заряд. Такой полупроводник называют дырочным или полупроводником типа p (от латинского positive —положительный), а примесные атомы называют акцепторами.

а) б

Рис.2.3

С точки зрения зонной теории при тепловой генерации происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, а при рекомбинации их возврат из зоны проводимости в валентную зону (рис.2.4, а). Скорость тепловой генерации обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны и прямо пропорциональна температуре Т. Для германия при Т=300 К значениеDE₃=0,66 эВ, для кремния DE₃=1,12 эВ, для арсенида галлия DE₃=1,42 эВ. Чем шире запрещенная зона, тем меньше концентрация собственных носителей заряда.

а б в

Рис2.4

Введение доноров ведет к появлению внутри запрещенной зоны вблизи дна зоны проводимости примесного уровня Е_D (рис.2.4,б). В среднем, один примесный атом приходится примерно на 10⁶–10⁸ атомов основного вещества, расстояние между ними большое, поэтому уровни E_D не расщепляются, и их изображают как один локальный уровень, на котором находятся «лишние» валентные электроны, незанятые в ковалентных связях. Энергетический интервал DE_D=E_C–E_D называют энергией ионизации доноров (для кремния DE_D=0,05 эВ, для германия DE_D=0,01 эВ). Электроны, находящиеся на уровне E_D, переходят с уровня Е_D в зону проводимости. При комнатной температуре практически все доноры ионизированы, поэтому концентрация электронов примерно равна концентрации доноров (n_n≈N_D).

Наряду с ионизацией примеси в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, но количество образующихся при этом электронов и дырок существенно меньше, чем в собственном полупроводнике. Объясняется это тем, что электроны, полученные в результате ионизации донорных атомов, занимают нижние энергетические уровни зоны проводимости и переход электронов из валентной зоны может происходить только на более высокие уровни зоны проводимости. Но для таких переходов электроны должны обладать более высокой энергией, чем в собственном полупроводнике, и поэтому значительно меньшее число электронов способно их осуществить. Поэтому в электронном полупроводнике концентрация дырок p_n. меньше концентрации p_i. Электроны в электронном полупроводнике называют основными носителями заряда, а дырки неосновными.

В дырочном полупроводнике за счет введения трехвалентных примесных атомов в пределах запрещенной зоны появляется примесный уровень Е_А (рис. 2.4,в), который заполняется электронами, переходящими на него из валентной зоны. Поэтому в полупроводнике устанавливается высокая концентрация дырок p_p. При комнатной температуре практически все акцепторы ионизировны, поэтому концентрация дырок равна примерно концентрации акцепторов (p_p≈N_A).

В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация, однако количество образующихся при этом пар носителей заряда невелико. Объясняется это теми же причинами, что и в электронном полупроводнике. На уровни акцепторов переходят электроны с энергетических уровней, расположенных вблизи потолка валентной зоны, а переход электронов из валентной зоны в зону проводимости совершают электроны, расположенные на более низких уровнях валентной зоны, для чего необходимо затратить более высокую энергию, чем в собственном полупроводнике. Поэтому концентрация электронов n_p меньше концентрации n_i. Дырки в дырочном полупроводнике называют основными носителями заряда, а электроны неосновными.

Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы

Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном — «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» — дырочный ток проводимости.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и л-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в р-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

р—n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью:

если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р—л-контакт будет проводить ток, электроны из д-области пойдут в р-область, а «дырки» из р-области в n-область (рис. 32).

В первом случае ток не равен нулю, во втором — ток равен нулю. Это означает, что если кр-области подключить «-» источника, а к л-области — «+» источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет. Полупроводниковый диод состоит из контакта

двух полупроводников р- и n-типа . Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия, их недостатком является зависимость сопротивления от температуры.

В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор, который был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р—л-перехода. Основное применение транзистора — это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора наступил качественно новый этап развития электроники — микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, до 3500 элементов Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 2—5 мкм, погрешность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, размещенный на кристалле кремния размером 6×6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.

Однако в технике применяются также полупроводниковые приборы без р—n-перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фоторезисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видеомагнитофонами).

3. Собственная и примесная проводимость полупроводников

Различают собственные и примесные полупроводники. К числу собственных относятся чистые полупроводники (т.е полупроводники без примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника). Проводимостьтаких чистых полупроводников называетсясобственной.

В примесных полупроводниках электрические свойства определяются примесями, вводимыми искусственно в очень малых количествах. Например, введение в кремний всего лишь 0,001% бора увеличивает его проводимость при комнатной температуре примерно в 1000 раз.

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью.

На рисунке 5а показаны энергетические зоны собственного полупроводника при T=0.

Валентная зона полностью заполнена электронами, зона проводимости полностью свободна. Уровень Ферми располагается по середине запрещённой зоны. При T=0 тепловое движение отсутствует, а электрическое поле не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости, поэтому собственные полупроводники ведут себя приT=0 как диэлектрики.

При температуре T>0, часть электронов с верхних уровней валентной зоны переходит на нижние уровни проводимости за счёт энергии теплового движения (рис.5б). Если приложить внешнее электрическое поле, то электроны зоны проводимости будут перемещаться и создавать электрический ток. Электроны частично заполненной зоны проводимости являются отрицательными носителями заряда. Такая проводимость полупроводников называется электронной.

а)	б)

Рис.5. Энергетические диаграммы собственного полупроводника

а – при T=0; б – приT>0

Энергия, которую необходимо сообщить полупроводнику, чтобы электроны могли преодолеть запрещённую зону, называется энергией активации. После удаления части электронов с верхних уровней валентной зоны в ней образуются вакантные места, дырки, которые ведут себя во внешнем поле как частицы с положительным зарядом. Дырки являются положительными носителями заряда в полупроводниках. Во внешнем электрическом поле дырки движутся в сторону, противоположную электронам. Такого рода проводимость называется дырочной. Таким образом, у собственных полупроводников наблюдается двоякого рода проводимость: электронная и дырочная.

Процесс образования электронно-дырочных пар называется генерациейносителей.

Одновременно происходит обратный процесс, называемый рекомбинацией, когда электрон возвращается из зоны проводимости в валентную зону. При этом из проводимости кристалла исключаются два носителя зарядов: электрон и дырка.

В собственном полупроводнике при каждой температуре устанавливается равновесие между процессами генерации и рекомбинации, при котором концентрации электронов и дырок одинаковы.

4. Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы в узлах решётки полупроводников замещены атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов.

На рисунке 6 условно изображена решётка германия. Он имеет решётку типа решётки алмаза, в которой каждый атом окружён четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными связями.

Рис.6. Плоская модель решетки германия

Предположим, что часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка (рис.7). Для установления связи с четырьмя ближайшими соседями атом мышьяка использует 4 валентных электрона (рис.7а). Пятый электрон в образовании связей не участвует. Он связан со своим атомом слабее. Энергия связи его составляет =0,015 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решётке германия, превращаясь таким образом в электрон проводимости. На языке зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Между заполненной валентной зоной и зоной проводимости чистого германия располагается узкий энергетический уровень валентных электронов мышьяка (рис.8) непосредственно у дна зоны проводимости, отстоя от него на расстоянии=0,015 эВ. Его называют примесным уровнем. При сообщении электронам примесного уровня энергии=0,015 эВ они переходят в зону проводимости. Образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка, дырки при этом не образуются.

Примеси, являющиеся источниками электронов проводимости, называются донорами, а уровни этих примесей – донорными уровнями.

Рис.7. Атом мышьяка в решетке германия а) замещение атома GeатомомAs б) отщепление лишнего» электрона от атома	Рис.8. Энергетическая диаграмма германия, содержащего донорную примесь (As)

Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов замещена атомами трёхвалентного индия (рис.9а).

Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заимствовать» у атома германия.

Расчёт показывает, что для этого требуется затрата энергии порядка 0,015 эВ. Разорванная связь (дырка) рис.9б не остаётся локализованной, а перемещается в решётке германия как свободный положительный заряд «+е». На рис.10 показаны энергетические зоны германия, содержащего примесь индия. Непосредственно у верхнего края заполненной валентной зоны на расстоянии =0,015 эВ располагаются незаполненные энергетические уровни атомов индия. Близость этих уровней к заполненной валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни. Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решётке германия и в проводимости не участвуют (электроны захватываются примесью). Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей – акцепторными уровнями.

Рис.9. Атом индия в решётке германия а) замещение атома GeатомомIn б) образование дырки	Рис.10. Энергетическая диаграмма германия, содержащего акцепторную примесь (In)

Таким образом, в отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в случае донорной проводимости и дырками, в случае акцепторной. Эти носители называются основными.

Кроме них полупроводник содержит неосновныеносители заряда, обусловленные переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости; электронный полупроводник – дырки, дырочный полупроводник – электроны. Концентрация неосновных носителей, как правило, значительно ниже концентрации основных носителей.

2. Собственные и примесные полупроводники

К полупроводникам относят радиоматериалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от температуры и концентрации примесей, что объясняется особенностями их кристаллической структуры. Основными материалами, применяемыми в полупроводниковой электронике, являются четырехвалентные кремний (Si) и германий (Ge), а также арсенид галлияGaAs.

Полупроводник, кристаллическая решетка которого не содержит атомов другой валентности, называется собственным полупроводником, или полупроводниками типа i(от английскогоintrinsic-собственный). Практически в кристаллической решетке полупроводника всегда присутствуют примеси, однако их концентрация столь ничтожна, что ею можно пренебречь.

Кристаллическая решетка собственного полупроводника состоит из элементарных кубических ячеек (рис.2.1). Каждый атом, расположенный в центре куба, связан с четырьмя атомами, расположенными в углах куба. В свою очередь каждый атом, расположенный в углах куба, связан с четырьмя атомами, расположенными в центрах соседних кубов. Атомы в кристаллической решетке полупроводника расположены упорядоченно на таких расстояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки перекрываются, и у электронов соседних атомов появляются общие орбиты, посредством которых образуются ковалентные связи. Если валентность атомов равна четырем, то вокруг каждого из атомов, помимо четырех собственных, вращаются еще четыре «чужих» электрона, вследствие чего вокруг атомов образуются прочные электронные оболочки, состоящие из восьми обобществленных валентных электронов. В 1 см³германия содержитсяатомов, кремнияатомов, арсенида галлияатомов. В узлах кристаллической решетки арсенида галлия чередуются пятивалентные атомы мышьяка и трехвалентные атомы галлия, вокруг которых также образуются электронные оболочки из восьми обобществленных электронов

Плоская модель кристаллической решетки собственного полупроводника показана на рис.2.2

Рис.2.1 Рис.2.2

При сообщении кристаллической решетке некоторого дополнительного количества энергии, например, путем нагрева, электрон может покинуть ковалентную связь и превратиться в свободный носитель электрического заряда. В результате ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется «вакантное» место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи. При этом вакантное место перемещается к другому атому Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки принято рассматривать как перемещение некоторого положительного заряда, называемого дыркой.Величина этого заряда равна заряду электрона.Процесс образования свободных электронов и дырок под воздействием тепла называют тепловой генерацией. Она характеризуется скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени.Помимо тепловой генерации возможна генерация под воздействием света или каких-либо других энергетических воздействий. Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического движения, средняя тепловая скорость которого определяется формулой:

.

Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью рекомбинации R, определяющей количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени. Каждый из подвижных носителей заряда существует («живет») в течение некоторого промежутка времени, среднее значение которого называютвременем жизни носителей зарядаи обозначают для электронов_n, а для дырок_p. В собственном полупроводнике_n=_p=_i.

В равновесном состоянии генерация и рекомбинация протекают с одинаковой скоростью (R=G),поэтому в полупроводнике устанавливается собственная концентрация электронов, обозначаемаяn_i, и собственная концентрация дырок, обозначаемаяp_i. Поскольку электроны и дырки генерируются попарно, то в собственном полупроводнике выполняется условие:n_i=p_i. При комнатной температуре в кремнии n_i=p_i=1,410¹⁰см^-3, в германии n_i=p_i=2,510¹³см^-3 в арсениде галлияn_i=p_i=1,8см^-3.

Полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо четырехвалентных атомов содержит атомы с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, и их концентрация превышает собственную концентрацию носителей заряда, называют примесными. Если валентность примесных атомов больше валентности основных атомов, например, в кристаллическую решетку кремния введены пятивалентные атомы мышьяка, то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в ковалентной связи, то есть становится лишним, (рис.2.3,а)и легко отрывается от атома, становясь свободным. При этом примесный атом оказывается ионизированным и приобретает положительный заряд. Такой полупроводник называют электронным или полупроводником типаn(от латинскогоnegative-отрицательный), а примесные атомы называютдонорами.

Если в кристаллическую решетку кремния введены атомы трехвалентной примеси, например атомы алюминия, то одна из ковалентных связей оказывается незаполненной (рис.2.3,б). При незначительном тепловом воздействии электрон одной из соседних связей может перейти в незаполненную связь, а на том месте, откуда пришел электрон, возникает дырка. При этом примесный атом приобретает отрицательный заряд. Такой полупроводник называют дырочным или полупроводником типа p(от латинскогоpositive—положительный), а примесные атомы называютакцепторами.

а) б

Рис.2.3

С точки зрения зонной теории при тепловой генерации происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, а при рекомбинации  их возврат из зоны проводимости в валентную зону (рис.2.4, а). Скорость тепловой генерации обратно пропорциональна ширине запрещенной зоныи прямо пропорциональна температуреТ. Для германия приТ=300 К значениеE₃=0,66 эВ, для кремнияE₃=1,12 эВ, для арсенида галлияE₃=1,42 эВ. Чем шире запрещенная зона, тем меньше концентрация собственных носителей заряда.

а б в

Рис2.4

Введение доноров ведет к появлению внутри запрещенной зоны вблизи дна зоны проводимости примесного уровня Е_D(рис.2.4,б). В среднем, один примесный атом приходится примерно на 10⁶–10⁸атомов основного вещества, расстояние между ними большое, поэтому уровниE_Dне расщепляются, и их изображают как один локальный уровень, на котором находятся «лишние» валентные электроны, незанятые в ковалентных связях. Энергетический интервалE_D=E_C–E_Dназываютэнергией ионизации доноров(для кремнияE_D=0,05 эВ, для германияE_D=0,01 эВ). Электроны, находящиеся на уровнеE_D, переходят с уровняЕ_Dв зону проводимости.При комнатной температуре практически все доноры ионизированы, поэтому концентрация электронов примерно равна концентрации доноров (n_n≈N_D).

Наряду с ионизацией примеси в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, но количество образующихся при этом электронов и дырок существенно меньше, чем в собственном полупроводнике. Объясняется это тем, что электроны, полученные в результате ионизации донорных атомов, занимают нижние энергетические уровни зоны проводимости и переход электронов из валентной зоны может происходить только на более высокие уровни зоны проводимости. Но для таких переходов электроны должны обладать более высокой энергией, чем в собственном полупроводнике, и поэтому значительно меньшее число электронов способно их осуществить. Поэтому в электронном полупроводнике концентрация дырок p_n. меньше концентрацииp_i. Электроны в электронном полупроводнике называют основными носителями заряда, а дырки  неосновными.

В дырочном полупроводнике за счет введения трехвалентных примесных атомов в пределах запрещенной зоны появляется примесный уровень Е_А(рис. 2.4,в), который заполняется электронами, переходящими на него из валентной зоны. Поэтому в полупроводнике устанавливается высокая концентрация дырокp_p.При комнатной температуре практически все акцепторы ионизировны, поэтому концентрация дырок равна примерно концентрации акцепторов (p_p≈N_A).

В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация, однако количество образующихся при этом пар носителей заряда невелико. Объясняется это теми же причинами, что и в электронном полупроводнике. На уровни акцепторов переходят электроны с энергетических уровней, расположенных вблизи потолка валентной зоны, а переход электронов из валентной зоны в зону проводимости совершают электроны, расположенные на более низких уровнях валентной зоны, для чего необходимо затратить более высокую энергию, чем в собственном полупроводнике. Поэтому концентрация электронов n_pменьше концентрацииn_i. Дырки в дырочном полупроводнике называют основными носителями заряда, а электроны  неосновными.

Примесные полупроводники — Студопедия

Общие представления. Полупроводники, в кристаллическую решетку которых помимо четырехвалентных атомов введены атомы примесей с валентностью, отличной от валентности основных атомов, называются примесными полупроводникам, а электрическая проводимость, созданная введенной примесью, называется примесной проводимостью. Для большинства полупроводниковых приборов используют именно такие примесные полупроводники. У них концентрация носителей заряда, вызванных наличием примесей, значительно больше концентрации собственных носителей заряда. Такие полупроводники имеют достаточно широкую запрещенную зону и ощутимая концентрация собственных носителей заряда появляется только при сравнительно высокой температуре.

В рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси. При малой концентрации примесей вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала. Однако примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны.

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, микротрещины и т. д. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то они называются примесями замещения, если в междоузлиях — примесями внедрения.

Доноры и акцепторы. Если валентность примесных атомов больше валентности основных атомов, например, в кристаллическую решетку четырехвалентного кремния Si введены пятивалентные атомы мышьяка As, то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в ковалентной связи. Действительно, атому мышьяка для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимы лишь четыре валентных электрона (рис.4.5). Пятый же электрон атома мышьяка в ковалентной связи не участвует, он становится лишним. Со своим атомом он связан силой кулоновского взаимодействия. Энергия этой связи невелика (сотые доли электрон-вольта). Поскольку при комнатной температуре тепловая энергия электрона kT=0,026эВ , то очевидно, что уже при комнатной температуре происходит ионизация примесных атомов мышьяка т. е. пятый электрон легко отрывается от атома, становясь свободным (рис.4.5).

После потери электрона примесный атом становится ионизированным и приобретает положительный заряд. Такой полупроводник с пятивалентной примесью называют электронным или полупроводником типа n (от латинского negative – отрицательный), а примесные атомы, отдающие электроны, называют донорами.

На энергетической диаграмме наличие примеси в кристаллической решетке полупроводника характеризуется появлением локального энергетического уровня, лежащего в запрещенной зоне. Так как при ионизации атома мышьяка образуется незанятый в ковалентной связи электрон и для его отрыва от атома требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей атомов кремния, то энергетический уровень донорной примеси должен располагаться в запрещенной зоне на небольшом расстоянии от нижнего края свободной зоны (от ‘дна’ зоны проводимости) (рис.4.6).

Рис. 4.5. Плоская модель кристаллической решетки кремния с примесью мышьяка.

Рис.4.6. Энергетическая диаграмма n-полупроводника.

Поскольку на один примесный атом в n-полупроводнике приходится 10⁶-10⁷ атомов основного вещества и расстояние между ними большое, то они практически не оказывают влияния друг на друга. Поэтому примесные уровни не расщепляются и на энергетической диаграмме они изображаются как один уровень, на котором находятся “лишние ” валентные электроны, не участвующие в ковалентных связях. Энергетический интервал называют энергией ионизации доноров. Для кремния =0,05эВ, для германия =0,01эВ, поэтому при комнатной температуре практически все доноры ионизированы.

Наряду с ионизацией примеси в электронном полупроводнике происходит и тепловая генерация, в результате которой образуется пара носителей – электрон и дырка. Однако количество их при рабочей температуре гораздо меньше, чем количество электронов, которые дает донорная примесь. Объясняется это тем, что во-первых, энергия, равная ширине запрещенной зоны ,гораздо больше, чем энергия ионизации доноров . Во-вторых, электроны донорных атомов занимают в зоне проводимости нижние энергетические уровни и электроны, находящиеся в валентной зоне, могут в результате разрыва ковалентных связей перейти только на более высокие уровни зоны проводимости. Для такого перехода электрон должен обладать более высокой энергией, чем в собственном полупроводнике. Поэтому в электронном полупроводнике концентрация дырок намного меньше концентрации электронов. По этой причине в полупроводнике n-типа электроны называют основными носителями заряда, а дырки –неосновными.

Если в кристаллическую решетку кремния введены атомы трехвалентной примеси, например, атомы алюминия Al, то одна из ковалентных связей оказывается незавершенной (рис.4.7). При незначительном тепловом воздействии электрон одной из соседней связей может перейти в незаполненную связь, а на том месте, откуда пришел электрон, возникает дырка. Эта дырка перемещается по связям основного вещества и, следовательно, принимает участие в проводимости полупроводника. При этом примесный атом алюминия приобретает отрицательный заряд. Такой полупроводник, захватывающий электроны, называют дырочным, или полупроводником типа p (от латинского positive – положительный), а примесные атомы называют акцепторами.

Рис.4.7. . Плоская модель кристаллической решетки кремния с примесью алюминия.

Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от атома основного вещества к атому примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей кремния. Поэтому количество дырок может быть значительно больше, чем количество свободных электронов и проводимость полупроводника будет дырочной. В таком полупроводнике основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны. Электроны, “заброшенные” на примесные уровни не участвуют в электрическом токе.

На энергетической диаграмме p-полупроводника (рис4..8) в запрещенной зоне появляется примесный уровень, расположенный на небольшом расстоянии от верхнего края заполненной зоны (над “потолком” валентной зоны). Примесный уровень заполняется электронами, переходящими на него из валентной зоны, так как для такого перехода требуется незначительная энергия ( 0,01-0,1эВ). Поэтому в p-полупроводнике устанавливается высокая концентрация дырок. При комнатной температуре практически все акцепторы ионизированы, поэтому концентрация дырок примерно равна концентрации акцепторов.

Рис.4.8.. Энергетическая диаграмма s-полупроводника.

В дырочном полупроводнике, так же как и в электронном, происходит тепловая генерация, в результате которой образуется пара носителей заряда: электрон, переходящий в свободную зону и дырка, остающаяся в валентной зоне. Однако количество образующихся пар невелико. Объясняется это теми же причинами, что и в электронном полупроводнике. На уровни акцептора переходят электроны с энергетических уровней, расположенных вблизи потолка валентной зоны. Переход же электронов из валентной зоны в зону проводимости с разрывом ковалентной связи совершают электроны, расположенные на более низких уровнях валентной зоны, для чего необходимо затратить более высокую энергию, чем в собственном полупроводнике. Поэтому концентрация дырок оказывается намного больше концентрации электронов.

Итак, атомы примесей создают в запрещенной зоне полупроводника дополнительные примесные энергетические уровни. Эти примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны. Примесная электропроводность требует для своего появления гораздо меньшей энергии (сотые и десятые доли электрон-вольта), чем для появления собственной электропроводности. Поэтому примесная электропроводность обнаруживается при более низкой температуре, чем собственная электропроводность полупроводника. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем при большей температуре проявляется собственная электропроводность.

В полупроводниковых приборах как правило, используют именно примесную электропроводность. Появление большого количества неосновных носителей заряда нарушает нормальную работу полупроводниковых приборов. Поэтому рабочая температура полупроводника устанавливается такой, чтобы тепловая генерация неосновных носителей заряда не влияла на работу полупроводникового прибора. У германия ширина запрещенной зоны равна 0,72эВ, а у кремния 1,12эВ. Поэтому допустимая рабочая температура у германиевых приборов составляет +70^оС, а у кремниевых в зависимости от степени очистки материала от 120 до 200^оС.

Заметим, что в полупроводнике могут одновременно содержаться донорные и акцепторные примеси Такие полупроводники называются компенсированными.

3. Собственные и примесные полупроводники

1. Собственными полупроводниками, или полупроводниками типа i (от англ. intrinsic — собственный), называют полупроводники, кристаллическая решетка которых в иде­альном случае не содержит примесных атомов другой валентности.

В реальных условиях в кристаллической решетке полупроводника всегда существуют примеси, однако их концентрация столь ничтожна, что ею можно пренебречь. Атомы в крис­таллической решетке полупроводника расположены упорядоченно на таких рас­стояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки перекрываются, и у электронов соседних атомов появляются общие орбиты, посредством которых образуются ковалентные связи. Если валентность атомов равна четырем, то вокруг каждого из атомов, помимо четырех собственных, вращаются еще четыре «чужих» электрона, вследствие чего вокруг атомов образуются прочные электронные оболоч­ки, состоящие из восьми обобществленных валентных электронов, что иллюстри­рует плоская модель кристаллической решетки, показанная на рис. 1.2.

В узлах кристаллической решетки арсенида галлия чередуются пятивалентные атомы мышьяка и трехвалентные атомы галлия, вокруг которых также образуются элек­тронные оболочки из восьми обобществленных электронов.

При сообщении кристаллической решетке некоторого дополнительного количе­ства энергии, например путем нагрева, электрон может покинуть ковалентную связь и превратиться в свободный носитель электрического заряда. В результате ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется «вакантное» место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи. При этом вакантное место перемещается к другому атому. Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки принято рассматривать как перемещение не­которого положительного заряда, называемого дыркой. Величина этого заряда равна заряду электрона.

Тепловая генерация – это процесс образования свободных электронов и дырок под воздействием тепла. Она характеризуется скорос­тью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Помимо тепловой генерации возможна генерация под воз­действием света или каких-либо других энергетических воздействий. Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического дви­жения, средняя тепловая скорость которого определяется формулой

K=0,86*10^-4 эВ/градус — постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

m – эффективная масса электрона, учитывающая взаимодействие электрона с периодическим полем кристаллической решетки, то есть это масса свободного электрона, который под действием внешней силы смог бы приобрести такое же ускорение, как электрон в кристалле под действием той же силы.

Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью реком­бинации R, определяющей количество пар носителей заряда, исчезающих в еди­ницу времени. Каждый из подвижных носителей заряда существует («живет») в течение некоторого промежутка времени, среднее значение которого называют временем жизни носителей заряда и обозначают для электронов , а для дырок. В собственном полупроводнике.

В равновесном состоянии генерация и рекомбинация протекают с одинаковой скоростью (R = G), поэтому в полупроводнике устанавливается собственная кон­центрация электронов, обозначаемая и собственная концентрация дырок, обо­значаемая . Поскольку электроны и дырки генерируются попарно, то в соб­ственном полупроводнике выполняется условие

.

При комнатной температуре в кремнии

,

а в германии

С увеличением температуры собственные концентрации электронов и дырок растут по экспонен­циальному закону.

2. Примесные полупроводники – это полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо четырехвалентных атомов содержит атомы с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, и их концентрация превышает собственную концентрацию носителей за­ряда.

Если валентность примесных атомов больше валент­ности основных атомов (в кристаллическую решетку кремния введе­ны пятивалентные атомы мышьяка), то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в ковалентной связи, то есть становится лишним (рис. 3) и легко отрывается от атома, становясь свободным. При этом при­месный атом оказывается ионизированным и приобретает положительный за­ряд. Такой полупроводник называют электронным, или полупроводником типа п (от лат. negative — отрицательный), а примесные атомы называют донорами.

Рис. 3

Если в кристаллическую решетку кремния введены атомы трехвалентной приме­си (например атомы алюминия), то одна из ковалентных связей оказывается неза­полненной (рис. 4). При незначительном тепловом воздействии электрон одной из соседних связей может перейти в незаполненную связь, а на том месте, откуда пришел электрон, возникает дырка. При этом примесный атом приобре­тает отрицательный заряд. Такой полупроводник называют дырочным, или по­лупроводником типа р (от лат. positive — положительный), а примесные атомы называют акцепторами.

Рис. 4

С точки зрения зонной теории, при тепловой генерации происходит переход элек­тронов из валентной зоны в зону проводимости, а при рекомбинации — их возврат из зоны проводимости в валентную зону (рис. 5).

Рис. 5

Скорость тепловой генера­ции обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны и прямо пропорциональна температуре Т.

При Т = 300 К значение ширины запрещенной зоны составляет:

-для германия ;

-для кремния;

-для арсенида галлия .

Чем шире запре­щенная зона, тем меньше концентрация собственных носителей заряда.

В электронном полупроводнике из-за наличия пятивалентных примесных атомов в пределах запрещенной зоны вблизи дна зоны проводимости появляются при­месные уровни (рис. 6).

Рис. 6

Поскольку на один примесный атом приходится примерно 10⁶-10⁸ атомов основного вещества и расстояние между ними большое, то они практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому примесные уров­ни не расщепляются, и их изображают как один локальный уровень, на котором находятся «лишние» валентные электроны, не занятые в ковалентных связях.

Энергетический интервал называют энергией ионизации доноров (для кремния , для германия). Электроны, находящиеся на уровне, переходят с уровня в зону проводимости. При комнатной темпера­туре практически все доноры ионизированы, поэтому концентрация электронов примерно равна концентрации доноров .

Наряду с ионизацией примеси в электронном полупроводнике происходит тепло­вая генерация, но количество образующихся при этом электронов и дырок суще­ственно меньше, чем в собственном полупроводнике. Объясняется это тем, что электроны, полученные в результате ионизации донорных атомов, занимают ниж­ние энергетические уровни зоны проводимости и переход электронов из валент­ной зоны может происходить только на более высокие уровни зоны проводимос­ти. Но для таких переходов электроны должны обладать более высокой энергией, чем в собственном полупроводнике, и поэтому значительно меньшее число элек­тронов способно их осуществить. Поэтому в электронном полупроводнике кон­центрация дырок меньше концентрации .

Электроны в электронном полупро­воднике называют основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

В дырочном полупроводнике за счет введения трехвалентных примесных атомов в пределах запрещенной зоны появляется примесный уровень Е_а (рис. 7), который заполняется электронами, переходящими на него из валентной зоны.

Рис. 7

Поэтому в полупроводнике устанавливается высокая концентрация дырок р_р. При комнатной температуре практически все акцепторы ионизированы, поэтому кон­центрация дырок примерно равна концентрации акцепторов (р_р = N_a).

В дырочном полупроводнике так же, как и в электронном, происходит тепловая генерация, однако количество образующихся при этом пар носителей заряда не­велико. Объясняется это теми же причинами, что и для электронного полупро­водника. На уровни акцепторов переходят электроны с энергетических уровней, расположенных вблизи потолка валентной зоны, а переход электронов из валент­ной зоны в зону проводимости совершают электроны, расположенные на более низких уровнях валентной зоны, для чего необходимо затратить более высокую энергию, чем в собственном полупроводнике. Поэтому концентрация электронов п_р меньше концентрации п_i.

Дырки в дырочном полупроводнике называют основ­ными носителями заряда, а электроны — неосновными.

Внутренние полупроводники — Инженерное дело LibreTexts

Полупроводники являются одним из трех классов электрических материалов и являются основой каждого твердотельного электронного устройства, которое используется сегодня. Собственные полупроводники, также известные как чистые или нелегированные полупроводники, описывают идеальные полупроводниковые кристаллы, не содержащие дефектов и примесей других элементов. Собственные полупроводники, которые намеренно легированы другими элементами, называются внешними полупроводниками.Собственные свойства обнаруживаются во всех полупроводниковых материалах, даже тех, которые легированы другими элементами, при этом легирующие элементы придают другие желаемые свойства.

Введение

Все полупроводники обладают внутренними свойствами, которые описаны здесь; даже внешние полупроводники обладают основными внутренними свойствами. Собственные по определению означает естественные или врожденные, а собственные полупроводники — это объемные свойства самого полупроводникового материала, а не присадки или примеси.Кремний и германий являются двумя наиболее часто используемыми примерами собственных полупроводников, поскольку они являются элементарными полупроводниками и были одними из первых широко изученных и используемых полупроводников. Электронная структура полупроводников — основа их уникальных свойств. Механизмы, которые делают полупроводники отдельным классом материалов, основаны на электрической структуре, которая определяет основные свойства полупроводников.

Электрическая конструкция

Свойства собственных полупроводников можно описать с помощью зонной теории полупроводников, которая показана на рисунке 1.

Рис. 1. Зонная диаграмма внутреннего полупроводника, показывающая энергию Ферми, зоны проводимости и валентности, а также запрещенную зону.

Хотя зонная структура полупроводников может выглядеть очень похожей на структуру изолятора, ширина запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной в полупроводнике имеет гораздо меньшую энергию, обычно менее 4 эВ. Свойства полупроводников сильно зависят от температуры. Эта температурная зависимость обусловлена ​​тем, что при 0 К в зоне проводимости нет электронов.Это напрямую связано с энергией Ферми , которая является максимальной энергией электрона при 0K. Поскольку запрещенная зона или запрещенная область не имеют вероятности того, что электрон займёт эту область, максимальная энергия, которую электрон в полупроводнике может получить при 0 К, находится на верхнем крае валентной зоны. При повышении температуры электроны в валентной зоне могут набирать достаточно энергии, чтобы перескочить из запрещенной зоны в зону проводимости, и они оставляют дыру, которая представляет собой область локального положительного заряда, которую когда-то занимал электрон.Число электронов, пересекающих зазор, зависит от температуры и от конкретного внутреннего материала. Эти пары электронов-дырок притягиваются друг к другу своим электрическим зарядом и называются экситонами. В собственных полупроводниках имеется равное количество электронов и дырок в материале; для каждого электрона, перемещающегося через зазор, остается дыра. Энергия запрещенной зоны, которая зависит от материала, также зависит от температуры и уменьшается с температурой до определенной степени в зависимости от материала.{2}} {T + \ Theta _ {D}} Ур. 1 _ {[2]} \] где E _gapO — это энергия запрещенной зоны при 0K, ξ — постоянная величина, T — температура, а θ _D — температура Дебая, которая зависит от материала.

Энергия запрещенной зоны и количество электронов и дырок в валентной зоне и зоне проводимости, а также чистая кристаллическая решетка важны для понимания электронной структуры собственных полупроводников и являются основой для понимания свойств полупроводников. ,

Очистка / обработка

Одной из наиболее важных проблем, связанных с собственными свойствами полупроводника, является отсутствие примесей в материале. Примеси могут изменять зонную структуру, ширину запрещенной зоны, энергию Ферми, а также концентрацию электронов и дырок в полупроводнике, точно так же, как легирующие примеси в примесных полупроводниках. Таким образом, чистота собственных полупроводниковых материалов должна быть менее нескольких частей на миллиард [4], и для конкретных применений она может быть очищена выше 99,999% [4].

Большая часть очистки полупроводников осуществляется с помощью химических процессов, но такие процессы, как зонная очистка, используются для уже затвердевших материалов. Зонное измельчение — это процесс, при котором твердый кусок материала нагревается в локальном месте на конце материала до тех пор, пока на конце не образуется небольшая расплавленная область, и медленно перемещается по всей длине материала, пока весь материал не испытает локальное плавление. Причина этого процесса заключается в том, что жидкий расплав может растворять больше примесей, чем твердый, и, таким образом, улавливает примеси в расплаве вместо затвердевшего материала.После завершения процесса конец, на котором находится затвердевший расплав, отрезают, чтобы удалить область концентрированной примеси. Процесс может быть повторен для дальнейшего уточнения, но при этом необходимо пожертвовать большим количеством сыпучего материала.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): — Процесс Чохральского для формирования монокристаллических полупроводниковых булей.

Формирование объемных полупроводников осуществляется разными методами, но процесс Чохральского обычно используется для создания больших монокристаллических слитков или «булей», из которых изготавливаются полупроводниковые пластины.Процесс Чохральского, показанный на рисунке 2, состоит из расплава кремния или германия высокой чистоты в тигле (этап 1) и затравочного кристалла. Затравочный кристалл заранее характеризуется ориентацией кристаллической решетки и подготовлен таким образом, чтобы кристалл формировался с желаемой ориентацией. Затем затравочный кристалл вводится в расплав (этап 2), медленно извлекается и вращается по мере затвердевания расплава вокруг затравочного кристалла (этап 3). Контроль температуры расплава и скорости охлаждения затвердевшего кристалла, который образуется из затравочного кристалла, имеет жизненно важное значение для этого процесса.После использования большей части расплава монокристаллический слиток удаляют (этап 4). Этот процесс обычно проводят в инертной среде, чтобы уменьшить попадание примесей в кристалл во время формирования.

Электрические характеристики

Полупроводники, как упоминалось ранее, являются одним из трех классов электронных материалов. Полупроводниковые материалы из-за зонной структуры становятся более проводящими с повышением температуры. Это свойство напрямую связано с концентрацией электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне, а эта концентрация электронов и дырок напрямую связана с температурой.{\ frac {-E_ {gap}} {2k_ {b} T}} \ label {2} \]

, которая является функцией эффективной массы электрона / дырки m * _{e / h} , постоянной Больцмана kB, температуры T, постоянной Планка h и ширины запрещенной зоны E _gap . Концентрация дана по количеству носителей. Известные данные для кремния и уравнение 2 были использованы для создания рисунка 3, который представляет собой типичный пример зависимости электронных и дырочных носителей в собственном полупроводнике от температуры.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): — Расчетные концентрации электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне при заданной температуре для кремния с использованием уравнения 2.

На рис. 3 показано резкое увеличение количества несущих на отметке около 600 тыс. При более низких температурах, если в кристалле есть примеси, которые изменяют электроны в кристалле, дополнительные примеси изменяют концентрацию дырок или электронов в электронной структуре. Важность электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне напрямую связана с проводимостью. Электропроводность σ собственного полупроводника равна \ [\ sigma = e \ mu_ {e} N_ {e} + e \ mu_ {h} N_ {h} Eq. 3 _ {[1] [2]} \] и основан на количестве носителей электронов / дырок в зоне проводимости / валентной зоне N _{e / h} , подвижности электронов / дырок в зоне проводимости / валентной зоне μ _{e / h} , а заряд электрона e.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): и уравнение 3.

Проводимость кремния, основанная на данных о плотности носителей на рисунке 3, была построена с использованием уравнения 3 и показана на рисунке 4. Обратите внимание на сходство между рисунками 3 и 4, поскольку электроны и дырки являются источником проводимости в собственных полупроводниках. На рис. 4 отчетливо видно сильное увеличение проводимости при высоких температурах, так же как и рост концентрации носителей заряда в той же области температур. Это повышение проводимости с повышением температуры противоположно Металлу, поскольку металлы уменьшают проводимость с повышением температуры.Это свойство делает полупроводники вариантом материала для использования в высокотемпературных электрических устройствах.

Другое — магнитные и оптические свойства

Собственные полупроводники являются парамагнитными материалами и не используются для каких-либо конкретных магнитных приложений. Хотя полупроводники используются в датчиках на эффекте Холла для измерения магнитного поля, это применение зависит от электрических свойств материала, а собственные полупроводники обычно не используются для этой цели из-за их плохой проводимости вблизи температуры окружающей среды.

Собственные полупроводники — это диэлектрический материал, и оптические свойства определяются диэлектрической поляризацией. Полупроводники также обладают уникальным свойством, заключающимся в том, что энергия запрещенной зоны находится в спектре инфракрасного света, и фотоны до этой энергии могут продвигать электрон в зону проводимости через запрещенную зону. Однако в большинстве оптических приложений в качестве оптических подложек используются легированные полупроводники, в первую очередь кремний и германий, поскольку специфические спектры поглощения регулируются с помощью легирующих добавок.

Вопросы

1. В чем основное отличие электронной структуры полупроводников от диэлектриков?
2. Почему в собственном полупроводнике одинаковое количество электронов и дырок?
3. Если небольшое количество примесей изменяет концентрацию электронов или дырок в собственном полупроводнике, как это повлияет на электрическую проводимость при низких температурах?
4. Как можно использовать электропроводность, чтобы определить, является ли материал металлом или полупроводником?

ответов

1. Хотя электронная структура полупроводника и изолятора выглядит одинаково, ширина запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной намного меньше, что позволяет электронам возбуждаться через запрещенную зону, обеспечивая проводимость.
2. В собственном полупроводнике имеется равное количество электронов и дырок, потому что для каждого электрона, продвигаемого из валентной зоны в зону проводимости, в валентной зоне создается одна дырка.
3. Примеси могут вызвать изменение проводимости, так как проводимость зависит от количества дырок или электронов в валентной зоне или зоне проводимости полупроводника. Поскольку при низких температурах количество электронов, продвигающихся через запрещенную зону, невелико, примеси будут преобладать в любой электрической проводимости при низких температурах.
4. Хотя саму электропроводность нельзя измерить напрямую, у металла будет уменьшаться проводимость с повышением температуры, а у полупроводника — с повышением температуры.

Дополнительные ссылки

• Полупроводники (все предметы) — Гиперфизика
• Буль (Кристалл) — Википедия
• Типы полупроводников — Институт технологий и менеджмента Ганди, Департамент инженерной физики
• Внутренние полупроводники — основы физики полупроводников, оптика 4 Инженеры

Список литературы

1. С.О. Касап, Принципы электронных материалов и устройств , 3 ^rd ed. Нью-Йорк: Макгроу Хилл, 2006
2. R.E. Hummel, Электронные свойства материалов, , 4-е изд. Нью-Йорк: Springer, 2012.
.
3. Д. Б. Сирдешмук и др., Электрические, электронные и магнитные свойства твердых тел. Нью-Йорк: Springer, 2014.
4. Высокочистый силкон для оптических применений , (2011) Lattice Materials LLC [Online — PDF] Доступен

Авторы

• Дэвид Лойола — студент — Калифорнийский университет в Дэвисе — факультет химической инженерии и материаловедения

,

Что такое внутренний полупроводник и внешний полупроводник — энергетический диапазон и легирование

Полупроводники делятся на два типа. Один из них — Intrinsic Semiconductor , а другой — Extrinsic Semiconductor . Чистая форма полупроводника известна как собственный полупроводник, а полупроводник, в который намеренно добавлены примеси, чтобы сделать его проводящим, известен как внешний полупроводник. Проводимость собственного полупроводника становится нулевой при комнатной температуре, в то время как внешний полупроводник очень мала. проводящий при комнатной температуре.Подробное объяснение двух типов полупроводников приведено ниже.

В комплекте:

Внутренний полупроводник

Исключительно чистый полупроводник называется внутренним полупроводником. На основе явления энергетической зоны ниже показан собственный полупроводник при абсолютной нулевой температуре.

Его валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости полностью пуста. Когда температура повышается и к нему подводится некоторая тепловая энергия, часть валентных электронов поднимается в зону проводимости, оставляя дырки в валентной зоне, как показано ниже.

Электроны, достигающие зоны проводимости, движутся беспорядочно. Отверстия, созданные в кристалле, также могут свободно перемещаться куда угодно. Такое поведение полупроводников показывает, что они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Это означает, что с повышением температуры удельное сопротивление материала уменьшается, а проводимость увеличивается.

Внешний полупроводник

Полупроводник, в который с контролируемой скоростью добавляется примесь, чтобы сделать его проводящим, известен как примесный полупроводник.

Собственный полупроводник способен проводить небольшой ток даже при комнатной температуре, но он не пригоден для изготовления различных электронных устройств. Таким образом, чтобы сделать его проводящим, в материал добавляется небольшое количество подходящей примеси.

Допинг

Процесс добавления примеси в полупроводник известен как легирование. Количество и тип примеси, которая должна быть добавлена ​​в материал, должны тщательно контролироваться во время приготовления внешнего полупроводника.Обычно один примесный атом добавляется к 10 ⁸ атомам полупроводника.

Целью добавления примесей в кристалл полупроводника является увеличение количества свободных электронов или дырок, чтобы сделать его проводящим. Если пятивалентная примесь, имеющая пять валентных электронов, добавляется к чистому полупроводнику, будет существовать большое количество свободных электронов.

Если добавить трехвалентную примесь с тремя валентными электронами, в полупроводнике будет существовать большое количество дырок.

В зависимости от типа добавляемой примеси внешний полупроводник может быть классифицирован как полупроводник n типа и полупроводник p типа .

См. Также: n Type Semiconductor

См. Также: p Тип Semiconductor

,

Разница между внутренним и внешним полупроводником

Полупроводники Intrinsic и Extrinsic отличаются друг от друга с учетом различных факторов, таких как легирование или добавление примесей, плотность электронов и дырок в полупроводниковом материале, электропроводность и ее зависимость от различных других факторов.

Разница между двумя типами полупроводников подробно описана ниже.

ОСНОВА РАЗЛИЧИЯ	ВНУТРЕННИЙ ПОЛУПРОВОДНИК	ВНЕШНИЙ ПОЛУПРОВОДНИК
Легирование примесью	Легирование или добавление примеси не происходит в собственном полупроводнике.	В чистый полупроводник добавляется небольшое количество примесей для получения примесного полупроводника.
Плотность электронов и дырок	Количество свободных электронов в зоне проводимости равно количеству дырок в валентной зоне.	Количество электронов и дырок не равно.
Электропроводность	Низкая электропроводность.	Электропроводность высокая
Зависимость электропроводности	Электропроводность зависит только от температуры.	Электропроводность зависит от температуры, а также от количества примесного легирования в чистом полупроводнике.
Пример	Кристаллическая форма чистого кремния и германия.	Примеси, такие как As, Sb, P, In, Bi, Al и т. Д., Легированы атомами германия и кремния.

Intrinsic Semiconductor — это чистая форма полупроводника, так как не происходит добавления примесей. Примером собственных полупроводников является кремний (Si) и германий (Ge).

С другой стороны, при небольшом количестве четырехвалентных или пятивалентных примесей, таких как мышьяк (As), алюминий (Al), фосфор (P), галий (Ga), индий (In), сурьма (Sb) и т. Д.добавляется в чистый полупроводник, получается Extrinsic Semiconductor .

Разница между внутренним и внешним полупроводником

• В собственном полупроводнике добавление примеси к чистому полупроводнику не происходит, тогда как примесный полупроводник образуется путем легирования примеси в чистый полупроводник.
• Плотность электронов и дырок в собственном полупроводнике одинакова, то есть количество свободных электронов, присутствующих в зоне проводимости, равно количеству дырок в валентной зоне.но в случае примесного полупроводника количество электронов и дырок не равно. В полупроводнике p-типа дырок больше, а в полупроводнике n-типа количество электронов больше, чем количество дырок.
• Электропроводность собственного полупроводника низкая , , тогда как у внешнего полупроводника электропроводность высокая.
• Примеси, такие как мышьяк, сурьма, фосфор, алюминий, индий и т. Д., Добавляются в чистую форму кремния и германия для образования примесного полупроводника.Чистый кристалл кремния и германия используется в собственном полупроводнике.
• Электропроводность в собственном полупроводнике является функцией только температуры, но в примесном полупроводнике электрическая проводимость зависит от температуры и количества примесного легирования в чистом полупроводнике.

,

Внешний полупроводник

Введение

Полупроводник, в который добавлены примеси, называется внешний полупроводник. когда примеси добавляются к собственному полупроводник, он становится примесным полупроводником. процесс добавления примесей в полупроводник называется легирование. Допирование увеличивает электропроводность полупроводник.

Внешнее полупроводник имеет более высокую электрическую проводимость, чем собственная полупроводник.Следовательно, внешние полупроводники используются для производство электронных устройств, таких как диоды, транзисторы и т. д. Количество свободных электронов и дырок в Внешние полупроводники не равны.

Типы примесей

В полупроводник добавляются примеси двух типов. Они есть пятивалентные и трехвалентные примеси.

Пятивалентные примеси

Пятивалентные примесные атомы имеют 5 валентностей. электроны.Различные примеры пятивалентной примеси атомы включают фосфор (P), мышьяк (As), сурьму (Sb) и т. д. Атомная структура пятивалентного атома (фосфора) и трехвалентный атом (бор) показан на рис.

фосфор это вещество, состоящее из атомов, имеющих одинаковые количество протонов. Атомный номер фосфора 15 т. Е. 15 протонов.Число протонов в ядре атома равно называется атомным номером. Атом фосфора имеет 15 электронов (2 электронов на первой орбите, 8 электронов на второй орбите и 5 электроны на внешней орбите).

Трехвалентные примеси

Трехвалентные примесные атомы имеют 3 валентных электрона. Различные примеры трехвалентных примесей включают бор (B), галлий (G), Индий (In), Алюминий (Al).

Бор это вещество, состоящее из атомов, имеющих одинаковые количество протонов. Атомный номер бора равен 5, т.е. 5 протоны. Атом бора имеет 5 электронов (2 электрона в первом орбите и 3 электрона на внешней орбите).

Классификация внешних полупроводников на основе добавок

По типу добавлены примеси, внешние полупроводники классифицируются в Два типа.

,