Собственные и примесные полупроводники.

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

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

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

Электропроводность собственных полупроводников.

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

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

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

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

дрейф, обусловливая тем самым электрический ток.

Электропроводность примесных полупроводников.

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

.

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

Виды примесей.

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

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

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

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

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

Примесные уровни в германии и кремнии.

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

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

Собственные и примесные полупроводники — Материаловедение (Инженерия)

1.1. Собственные и примесные полупроводники

Собственными называют полупроводники, не содержащие донорных и акцепторных примесей. Зонная диаграмма таких полупроводников представлена на рис. 4.3,а, где Е_с – нижний энергетический уровень зоны проводимости, называемый дном зоны проводимости; Е_v – верхний энергетический уровень валентной зоны, называемый потолком валентной зоны; DЕ₀ – ширина запрещенной зоны.

Практически чаще пользуются энергетической схемой, изображенной на рис. 4.3,б, где представлены лишь потолок валентной зоны и дно зоны проводимости. Стрелкой обозначен энергетический переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, который может быть осуществлен за счет энергии тепловых колебаний решетки или энергии внешнего воздействия на полупроводник. С уходом электрона в зону проводимости в валентной зоне полупроводника остается свободным энергетическое состояние, называемое дыркой, а сама валентная зона становится не полностью заполненной.

Рис. 4.3. Зонная диаграмма собственного полупроводника

В качестве примера собственного полупроводника рассмотрим монокристалл кремния, являющегося элементом IV группы таблицы Д.И. Менделеева. В кристаллической решетке кремния у каждого атома с каждым из четырех ближайших к нему соседей существует ковалентная связь. Плоская модель кристаллической решетки кремния представлена на рис. 4.4, где имеется изображение символа ковалентной связи, в которой участвуют два электрона. При разрыве ковалентной связи между атомами кремния образуются свободный электрон и незавершенная связь, которой на зонной диаграмме соответствует возможное, но не занятое электроном состояние в валентной зоне – дырка. При отсутствии внешнего электрического поля дырка, как и электрон, будет совершать хаотическое движение в пределах кристалла. Происходит это вследствие того, что электрон соседней ковалентной связи за счет энергии тепловых колебаний решетки может заполнить незавершенную ковалентную связь, в результате чего дырка из положения 1 перейдет в положение 2. По этим же причинам она может перейти в положение 3,4 и т.д. Таким образом, движение дырки осуществляется за счет перемещения электрона, участвующего в ковалентной связи.

Итак, в результате разрыва ковалентной связи образуется пара свободных носителей заряда – электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне, которые и создают собственную электропроводность полупроводника. Энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи, определяется шириной запрещенной зоны полупроводника. Для кремния она составляет 1,12 эВ. Свободные носители заряда при комнатной температуре возникают вследствие флюктуаций тепловых колебаний решетки, так как средней тепловой энергии решетки при комнатной температуре для разрыва ковалентной связи в кремнии недостаточно.

Рис. 4.4. Плоская модель кристаллической решетки собственного полупроводника (кремния)

Примесными называют полупроводники, содержащие донорные и (или) акцепторные примеси.

Если в кремний или германий в качестве примеси ввести элемент V группы таблицы Менделеева, например мышьяк, то атому примеси для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимо четыре валентных электрона (рис. 4.5). Пятый валентный электрон атома примеси в ковалентной связи не участвует. Со своим атомом он связан силой кулоновского взаимодействия. Энергия этой связи невелика. Для фосфора, мышьяка, сурьмы она порядка 0,01 эВ в германии и 0,05 эВ в кремнии. Так как при 300 К тепловая энергия kT~0,03 эВ, то очевидно, что при комнатной температуре будет происходить ионизация примесных атомов мышьяка вследствие отрыва пятого валентного электрона, который становится свободным. В германии при 300 К все примесные атомы мышьяка ионизованы. Образовавшиеся при этом положительные ионы примеси принимать участие в электропроводности не могут, так как они локализованы. Находясь в узле кристаллической решетки полупроводника, они являются ее структурными элементами.

Рис. 4.5. Плоская модель кристаллической решетки полупроводника n-типа (кремния, легированного мышьяком)

Примесь, имеющую валентных электронов больше, чем необходимо для завершения связей между ближайшими атомами основного вещества, и в результате этого способную отдавать электроны, называют донорной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником с электронной электропроводностью (или n-типа).

Для того чтобы пятый валентный электрон стал свободным (на энергетической схеме перешел в зону проводимости), необходимо затратить энергию, значительно меньшую, чем для разрыва ковалентной связи. В соответствии с этим энергетический уровень пятого валентного электрона на зонной диаграмме должен располагаться в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (рис. 4.6)

Рис. 4.6. Зонная диаграмма полупроводника n-типа

При температуре абсолютного нуля и в отсутствие внешнего воздействия на полупроводник его валентная зона полностью заполнена, зона проводимости пуста, локальные энергетические уровни донорной примеси Е_Д заняты электронами. По мере повышения температуры сначала часть электронов, а затем все электроны с локальных уровней Е_Д перейдут в зону проводимости (переходы 1, рис. 4.6). Наряду с этим будут происходить и переходы 2, обусловленные разрывом ковалентных связей, в результате чего образуется пара свободных носителей заряда: электрон и дырка.

Так как для ионизации донорной примеси требуется энергия значительно меньшая, чем для разрыва ковалентной связи (DЕ_Д), то при температурах, при которых собственная электропроводность проявляется слабо, электропроводность полупроводника определяется в основном электронами, образовавшимися при ионизации донорной примеси. Поэтому электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями.

Если в полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести в качестве примеси элемент III группы, например алюминий, то все три валентных электрона примесного атома будут участвовать в образовании ковалентных связей. При этом одна из четырех связей с ближайшими атомами основного вещества окажется незавершенной.

Примесь, имеющую валентных электронов меньше, чем это необходимо для завершения связей между ближайшими атомами основного вещества, и вследствие этого способную захватить электроны, называют акцепторной, а  полупроводник с такой примесью – полупроводником с дырочной электропроводностью (или p-типа).

Незавершенная связь в результате тепловых колебаний решетки может быть заполнена электроном соседней связи, которая в свою очередь окажется незавершенной (рис. 4.7). Незавершенная связь – дырка за счет тепловых колебаний решетки будет совершать хаотическое движение в пределах кристалла. Атом акцепторной примеси, принявший четвертый электрон для завершения ковалентной связи, становится отрицательным ионом. Такой ион называют ионизированным атомом акцепторной примеси. Принимать участие в электропроводности он не может, так как является структурным элементом кристалла.

Рис. 4.7. Плоская модель кристаллической решетки полупроводника
 р-типа (кремния, легированного алюминием)

Для того чтобы образовалась свободная дырка, необходима энергия меньшая, чем для разрыва ковалентной связи (DЕ_а). В германии и кремнии для бора, алюминия, галлия, индия эта энергия составляет 0,01¸0,07 эВ. Значит, локальные энергетические уровни акцепторной примеси Е_а расположены в запрещенной зоне полупроводника вблизи потолка валентной зоны.

Вместе с этой лекцией читают «Подходы к построению команды».

При температуре абсолютного нуля и в отсутствие внешнего воздействия на полупроводник акцепторные уровни свободны от электронов. По мере повышения температуры электроны валентной зоны будут заполнять эти локальные уровни при одновременном образовании в валентной зоне соответствующего числа дырок (рис. 4.8, переходы 1). Вместе с тем возможны и переходы 2, при которых образуется пара свободных носителей: электрон–дырка.

Рис. 4.8. Зонная диаграмма полупроводника р-типа

В полупроводнике р-типа основными носителями заряда являются дырки, неосновными – электроны.

Отметим, что в полупроводниках могут быть примеси, энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне далеко от краев разрешенных зон. Такие уровни называют глубокими. У кремния и германия глубокие уровни возникают при наличии в них примесных атомов золота, меди, кислорода, железа и др.

Рассмотренные зонные модели собственных и примесных полупроводников являются упрощенными, хотя в большинстве случаев они применимы для объяснения физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах. Однако есть явления, которые можно объяснить лишь с помощью модели структуры зон, основанной на представлениях квантовой механики с учетом волновых свойств микрочастиц.

3. ПОЛУПРОВОДНИКИ И ИХ СВОЙСТВА СОБСТВЕННЫЕ И…

Привет, Вы узнаете про полупроводники, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое полупроводники, собственные полупроводники, примесные полупроводники, основные носители заряда, неосновные носители заряда, удельная электропроводность, пробой в полупроводниках , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов.

К полупроводникам относятся материалы с электронно-дырочной проводимостью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре находится между значениями удельного сопротивления проводников и диэлектриков. Основной особенностью полупроводников является значительная зависимость их свойств от различных внешних факторов: температуры, освещения, электрического и магнитного полей, внешнего давления и т.д. В отличие от металлов полупроводники в широком диапазоне температур имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. В энергетических спектрах полупроводников имеется область запрещенных энергий, в которой не может быть электронных состояний. Разрешенные состояния образуют разрешенные энергетические зоны выше и ниже области запрещенных энергий. Верхнюю из разрешенных зон, полностью заполненную электронами при абсолютном нуле, называют валентной зоной. За ней следует запрещенная зона, а следующая разрешенная зона – зона проводимости. Она пуста при абсолютном нуле и имеет электроны проводимости (частично заполнена) при температуре отличной от нуля. Упрощенная энергетическая диаграмма полупроводника изображена на рис. 3.1. В собственном полупроводнике уровень Ферми E_Fнаходится в середине запрещенной зоны. E_C – дно зоны проводимости, E_V – потолок валентной зоны, между E_C и E_V находится запрещенная зона. В отличие от металлов, где свободные электроны существуют всегда, в полупроводниках электроны, чтобы стать свободными, должны преодолеть запрещенную зону и попасть в зону проводимости.

Рис. 3.1. Энергетические зоны собственного полупроводника

Свойства полупроводников очень сильно зависят от содержания примесей, даже в малых количествах. От наличия примеси зависит не только величина проводимости, но и характер ее температурной зависимости.

3.1. СОБСТВЕННЫЕ И примесные полупроводники . ОСНОВНЫЕ И НЕ основные носители заряда

собственные полупроводники – это полупроводники, в которых можно пренебречь влиянием примесей на электропроводность при данной температуре ввиду их малого количества. В них отсутствуют легирующие элементы, которые вводят на этапе выращивания кристалла для обеспечения нужной величины удельного сопротивления.

При температурах, отличных от нуля, некоторые из электронов за счет тепловых флуктуаций преодолевают потенциальный барьер и оказываются в зоне проводимости. В собственном полупроводнике при переходе электрона в зону проводимости в валентной зоне образуется дырка – положительный заряд, по модулю равный заряду электрона. Благодаря существованию дырок электроны валентной зоны тоже принимают участие в процессе электропроводности за счет перехода по дыркам на более высокие разрешенные уровни валентной зоны. Таким образом, в этой зоне дырки движутся навстречу электронам, неся положительный заряд и обладая некоторой эффективной массой.

Чем выше температура и меньше ширина запрещенной зоны, тем выше скорость тепловой генерации носителей заряда – электронов и дырок . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Одновременно с генерацией в полупроводнике происходит противоположный процесс – рекомбинация, т.е. возвращение электрона в валентную зону и исчезновение пары свободного электрона и дырки.

Примесные полупроводники, или легированные – это полупроводники, содержащие донорные или акцепторные атомы или стехиометрически избыточные атомы в количестве, сравнимом с количеством собственных носителей заряда. Количеством примесей в полупроводниках и положением примесных уровней в запрещенной зоне существенно определяются кинетические явления в полупроводниках, в том числе величина и тип проводимости, а также оптические свойства полупроводниковых мате-риалов.

Примеси в полупроводниках – это инородные атомы, растворенные в полупроводниках. Примеси в полупроводниках либо замещают в кристаллической решетке атомы основного вещества, образуя твердые растворы замещения, либо располагаются в междоузлиях, образуя твердые растворы внедрения.

Следует различать остаточные примеси, которые не были удалены из полупроводника при очистке или случайно были введены в полупроводниковый материал при последующих технологических операциях, и легирующие примеси, намеренно вводимые в заданных количествах в полупроводник при легировании как в процессе приготовления поликристаллической шихты или выращивания монокристалла, так и в процессе изготовления p-n-переходов с целью придания всему материалу или определенным его участкам требуемых электрофизических свойств (например, определенной величины и типа проводимости). Введение легирующих примесей может обеспечивать воспроизводимые результаты только в том случае, если их концентрация в полупроводнике (которая должна быть ниже их предела растворимости при температурах, близких к комнатной) значительно выше концентрации остаточных примесей. Примеси в соответствии с их воздействием на физические свойства полупроводника могут находиться в электрически активном и электрически неактивном состояниях (в зависимости от условий введения и обработки). Электрически активные примеси могут быть однозначно активными, т.е. проявлять себя либо как доноры, либо как акцепторы, или амфотерно активными: часть примесных атомов может проявлять донорные свойства, а другая – акцепторные.

Электрическая активность примеси характеризуется в основном числом и распределением связей атома примеси с соседними атомами полупроводника. Например, в полупроводниковых кристаллах со структурой типа алмаза (алмаз, Si, Ge) акцепторами являются элементы III группы периодической системы Менделеева (атомы которых устанавливают связь только с тремя из четырех окружающих их атомов и вызывают появление дырки), а донорами – элементы V группы (у которых после установления связей со всеми четырьмя соседними атомами остается один свободный электрон). Энергия ионизации примесных атомов III и V групп в Si и Се близки к 0,01 эВ, поэтому при комнатных температурах такие примеси почти полностью ионизированы. При малых концентрациях примеси создают локализованные энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне (примесные уровни). В зависимости от того, мало или сравнимо с шириной запрещенной зоны расстояние от примесного уровня до ближайшей разрешенной зоны, различают мелкие и глубокие примесные уровни. При больших концентрациях уровни сливаются, образуя примесные зоны, примыкающие к разрешенным зонам (такие полупроводники называются сильнолегированными). При изготовлении полупроводниковых приборов для создания p-n-переходов нужной конфигурации иногда приходится локально перекомпенсировать примесь одного типа (например, акцепторную) примесью другого типа (донорной), чтобы создать слой материала требуемого типа проводимости.

К группе электрически неактивных примесей (при определенных условиях, например при комнатной температуре) относятся атомы тех групп периодической системы, которые для данного полупроводника не являются однозначно легирующими примесями. Эти примеси в полупроводнике создают в запрещенной зоне два (иногда и более) глубоких примесных уровня. Их иногда намеренно вводят в полупроводник для придания ему особых свойств, например резкого уменьшения времени жизни неосновных носителей заряда. Примеси такого типа создают глубокие уровни, которые часто являются эффективными центрами захвата и рекомбинации носителей заряда. В некоторых случаях, например при изготовлении полупроводниковых кристаллофосфоров, осуществляется легирование примесями, создающими глубокие уровни, и необходимая излучательная рекомбинация происходит между краем одной из разрешенных зон и глубоким уровнем или между двумя примесными уровнями, один из которых глубокий.

В полупроводниковых соединениях типа А^IIIВ^V или А^IIВ^VI однозначно активными акцепторами являются атомы элементов, имеющие степень окисления на единицу меньше, чем компонент А или В, а донорами – атомы элементов, имеющие степень окисления на единицу больше, чем А или В. Например, в GaAs акцепторами служат атомы элементов II группы, а донорами – атомы элементов VI группы, атомы элементов IV группы – амфотерно активные примеси: атом Ge, замещающий атом Ga, – донор, а замещающий атом As, – акцептор.

В полупроводниковых соединениях роль примеси могут играть избыточные по отношению к стехиометрическому составу атомы компонентов самого соединения, т.е. точечные дефекты.

В любом полупроводниковом кристалле, очищенном до практически возможного предела, всегда имеются как остаточные примеси, так и термически равновесные (и неравновесные) точечные дефекты. Поскольку все примесные атомы и точечные дефекты склонны к ионизации, в полупроводниках устанавливаются сложные взаимодействия между всеми заряженными дефектами и носителями зарядов.

пробой в полупроводниках – явление резкого возрастания электрического тока через полупроводниковый образец при малом изменении приложенной к образцу разности потенциалов, приводящее к необратимому тепловому разрушению образца или какого-либо его участка. Характер такого пробоя связан с экспоненциальным ростом в полупроводнике концентрации свободных носителей заряда при увеличении температуры: локальный разогрев участка полупроводника сопровождается увеличением концентрации носителей заряда и локальной плотности тока, что ведет к дальнейшему повышению температуры этого участка и т. д.

удельная электропроводность полупроводника сильно зависит от концентрации носителей заряда и выражается зависимостью:

σ = q(nµ_n + pµ_p),

где n и p – концентрации электронов и дырок соответственно; µ_n и µ_p – подвижности электронов и дырок соответственно.

Концентрация носителей заряда положительно зависит от температуры. Следовательно, и удельная электропроводность полупроводника зависит от температуры. Температурная зависимость удельной электропроводности схематично легированного полупроводника (не в масштабе) показана на рис. 3.2. Участок I графика соответствует термогенерации неосновных носителей заряда от примесных атомов, так как они ионизируются при меньших температурах, чем собственные атомы. На участке II все примесные атомы ионизированы, а ионизация собственных атомов еще не началась, поэтому нет роста электропроводности. На участке III происходит ионизация собственных атомов полупроводника и рост концентрации основных носителей заряда, что приводит к дальнейшему росту удельной электропроводности.

При увеличении температуры изменяется и подвижность носителей, которая уменьшается в результате увеличения рассеяния на тепловых колебаниях решетки. Но изменение подвижности незначительно по сравнению с изменением концентрации носителей, и поэтому она не играет практически роли в изменении удельной электропроводности при нагревании и охлаждении.

Рис. 3.2. Температурная зависимость удельной электропроводности легированного полупроводника:

I – участок примесной проводимости; II – отсутствия термогенерации;

III – примесной и собственной проводимости

В общем, мой друг ты одолел чтение этой статьи об полупроводники. Работы в переди у тебя будет много. Смело пишикоментарии, развивайся и счастье окажется в ваших руках. Надеюсь, что теперь ты понял что такое полупроводники, собственные полупроводники, примесные полупроводники, основные носители заряда, неосновные носители заряда, удельная электропроводность, пробой в полупроводниках и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов

Внутренние полупроводники и внешние полупроводники

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

Собственный полупроводник

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

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

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

Внешние полупроводники

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

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

Что такое допинг?

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

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

Полупроводники n-типа

Полупроводники N-типа представляют собой внешние полупроводники, в которых атомы примеси могут обеспечивать дополнительные электроны проводимости для материала-хозяина (например, фосфора в кремнии).

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

Полупроводники p-типа

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

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

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

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

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

Разница между собственными и внешними полупроводниками

Ниже приведены некоторые ключевые различия между внешними и собственными полупроводниками:

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

Примеры вопросов

Вопрос 1: Что такое полупроводник n-типа?

Ответ:

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

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

Вопрос 2: Что такое полупроводник P-типа?

Ответ:

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

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

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

Ответ:

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

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

Ответ:

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

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

Ответ:

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

Разница между собственным и внешним полупроводником

28 июля 2021 г. 2 апреля 2021 г. от Electricalvoice

Полупроводниковые материалы можно разделить на два основных класса: собственные полупроводники и внешние полупроводники. Собственные полупроводники представляют собой чистую форму полупроводниковых материалов, в то время как внешние полупроводниковые материалы образуются путем добавления некоторой примеси к чистым полупроводникам.

Основное различие между собственным и внешним полупроводником заключается в том, что собственные полупроводники являются чистыми по форме, к ним не добавляются никакие примеси, в то время как внешние полупроводники, являясь нечистыми, содержат трехвалентные или пятивалентные примеси.

Эти два класса полупроводников можно различить на основе ряда факторов, таких как добавление примесей или легирования, электропроводность, плотность электронов и дырок в полупроводниковых материалах.

Разница между собственными и внешними полупроводниками — таблица

Давайте посмотрим на различия между ними с помощью таблицы.

База сравнения	Внутренний полупроводник	Внешний полупроводник
Примеси в материале	Собственные полупроводники представляют собой чистые формы полупроводников, поэтому они не содержат значительного количества примесей.	Внешние полупроводники изготавливаются путем добавления некоторых примесей в чистую форму полупроводников.
Электропроводность	Обладают плохой электропроводностью.	Электропроводность в случае внешних полупроводников значительно выше по сравнению с собственными полупроводниками.
Плотность носителей заряда	В собственных полупроводниках количество свободных электронов в зоне проводимости равно количеству дырок в валентной зоне.	Количество электронов и дырок в примесных полупроводниках неодинаково и зависит от типа примесного полупроводника.
Зависимость электропроводности	Электропроводность собственных полупроводников зависит только от температуры.	Электропроводность примесных полупроводников зависит как от температуры, так и от количества легированной примеси.
Положение уровня Ферми	В собственных полупроводниках энергетические уровни Ферми лежат в середине валентной зоны и зоны проводимости.	Во внешних полупроводниках уровень Ферми смещается в сторону валентной зоны или зоны проводимости.
Примеры	Примеры включают кристаллические формы чистого кремния или германия.	Примеры включают кристаллы кремния (Si) и германия (Ge) с примесными атомами As, Sb, P и т. д. или In, B, Al и т. д.

Что такое собственные полупроводники?

Собственные полупроводники представляют собой чистую форму полупроводниковых материалов. Никакие внешние примеси не добавляются и не легируются в собственных полупроводниках. Поскольку собственные полупроводники изготавливаются из особо чистых полупроводниковых материалов, они также известны как чистые полупроводники.

В собственном полупроводнике количество свободных электронов в зоне проводимости равно количеству дырок в валентной зоне.

Для собственных полупроводников ширина запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной мала, а энергетические уровни Ферми лежат посередине зоны проводимости и валентной зоны.

Электропроводность собственных полупроводников очень низкая и зависит только от температуры. Электропроводность увеличивается экспоненциально с температурой. Внешние полупроводники подразделяются на полупроводники p-типа и n-типа, но собственные полупроводники далее не классифицируются.

Свободные носители заряда в собственных полупроводниках генерируются с помощью механизма, называемого термической генерацией, и это разрыв некоторой части связей между соседними атомами в твердом полупроводнике.

Здесь следует отметить, что, хотя собственные полупроводники могут иметь очень небольшое количество примесей, концентрация примесей должна быть значительно ниже, чем концентрация свободных носителей.

Что такое внешние полупроводники?

Это тип полупроводника, в который добавляются примеси с контролируемой скоростью, чтобы сделать его проводящим.

Собственный полупроводник может проводить небольшой ток даже при комнатной температуре, но этот небольшой ток бесполезен для изготовления различных электронных устройств. Таким образом, чтобы сделать эти полупроводники проводящими, в полупроводники добавляют небольшое количество подходящей примеси.

Легирование – это процесс, при котором примесь добавляется к полупроводниковому материалу. Во время подготовки внешнего полупроводника необходимо тщательно проанализировать количество и тип примеси. Примесь добавляется в полупроводники, чтобы увеличить количество носителей заряда (свободных электронов или дырок), чтобы сделать их проводящими.

Если мы добавим в чистый полупроводник пятивалентную примесь, имеющую 5 валентных электронов, будет существовать большое количество свободных электронов.

Если добавить трехвалентную примесь, имеющую три валентных электрона, в полупроводнике будет существовать большое количество дырок.

Во внешних полупроводниках концентрация электронов и дырок неодинакова. Внешние полупроводники имеют лучшую проводимость, чем собственные полупроводники. Проводимость примесных полупроводников зависит как от температуры, так и от концентрации примесей. В отличие от собственных полупроводников, внешние полупроводники бывают двух типов: p-типа и n-типа. Внешние полупроводники классифицируются на основе типа элемента, легированного в полупроводник.

Заключение

Из вышеприведенного обсуждения мы пришли к выводу, что внешний и внутренний являются двумя важными типами полупроводниковых материалов. Собственные полупроводники представляют собой чистые полупроводниковые материалы без каких-либо примесей, в то время как внешние полупроводники легированы определенными типами примесей для увеличения их проводимости.

Обсуждаются различия между внутренними и внешними полупроводниками , а также объясняются внутренние и внешние полупроводники, чтобы вам было понятнее.

Автор
Дипак Ядав
Мусульманский университет Алигарх, Алигарх

Ссылки

1. https://electronicsdesk.com/difference-between-intexrinsic-and ://circuitglobe.com/intrinsic-semiconductor-and-extrinsic-semiconductor. html
3. https://www.toppr.com/ask/en-in/question/distinguish-between-intrinsic-and-extrinsic-semiconductors
4. https://www.shaalaa.com/question-bank-solutions/distinguish-between-intrinsic-extrinsic-semiconductor-give-any-two-points-extrinsic-semiconductor_14245

разница между внутренними и внешними полупроводниками

Тестовые серии

от Aina Parasher | Обновлено: 25 мая, 2022

0 Комментарии

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

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

Содержание

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

Читать статью полностью

Разница между собственными и внешними полупроводниками

В таблице ниже представлены различия между собственными и внешними полупроводниками.

Ключевые различия между собственными и внешними полупроводниками

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

Что такое собственный полупроводник?

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

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

Что такое внешний полупроводник?

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

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

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

Часто задаваемые вопросы о различиях между собственными и внешними полупроводниками

• В чем основное различие между собственными и внешними полупроводниками?

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

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

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

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

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

• Что такое собственный полупроводник?

  Собственный полупроводник — это очень чистый полупроводник.