Дырочные полупроводники (р-типа) с дырочной проводимостью

1. Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства диэлектриков.

2. Собственная проводимость

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью.

Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

Полупроводник n-типа с электронной проводимостью

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

3. Дрейф— направленное движение носителей заряда, вызванный воздействием на электроны с помощью внешнего поля. В отсутствии внешнего электрического поля электроны в кристалле совершают только тепловое движение (диффузионное).

   Поэтому нет преимущественных направлений движения, и поэтому среднее значение тепловой скорости равно нулю.

Если в полупроводнике в некотором месте образуется избыток носителей зарядов, т. е. концентрация их больше равновесной, то в результате теплового движения носители заряда постепенно распределяются по всему полупроводнику, так что концентрация их в среднем всюду оказывается одинаковой. Это движение и называют

диффузией.

4. Образование свободных носителей заряда в полупроводниках связано с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны. Эту энергию электрон получает от ионов решетки, совершающих тепловые колебания. Таким образом, преодоление запрещенной зоны электроном происходит обычно за счет тепловой энергии решетки. Концентрация носителей заряда, вызванная термическим возбуждением в состоянии теплового равновесия, называется равновесной.

Однако помимо теплового возбуждения появление свободных носителей заряда может быть связано с другими причинами, например, в результате облучения фотонами или частицами большой энергии, ударной ионизации, введения носителей заряда в полупроводник из другого тела (инжекция) и др. Возникшие таким образом избыточные носители заряда называются неравновесными.

После прекращения действия механизма, вызвавшего появление неравновесной концентрации носителей, происходит постепенное возвращение к равновесному состоянию. Процесс установления равновесия заключается в том, что каждый избыточный электрон при встрече с вакантным местом (дыркой) занимает его, в результате чего пара неравновесных носителей исчезает. Явление исчезновения пары носителей получило название рекомбинации. В свою очередь возбуждение электрона из валентной зоны или примесного уровня, сопровождающееся появлением дырки, называется генерацией носителей заряда.

n0 – равновесная концентрация, γ – коэффициент рекомбинации,

Величина τ имеет смысл среднего времени электронов в зоне проводимости. Полученные решения иллюстрируются на рисунке. Процесс рекомбинации описывается экспоненциальной зависимостью от времени, причем среднее время жизни представляет собой такой отрезок времени, за который концентрация избыточных носителей изменяется в «е» раз.

http://dssp.petrsu.ru/book/chapter1/part9.shtml

1.4 Примесный полупроводник p – типа

Полупроводники, у которых концентрация свободных уровней в ВЗ — дырок превышает концентрацию свободных электронов в ЗП, называются полупроводниками с дырочной электропроводностью или полупроводниками р-типа (positively). Полупроводники р-типа создаются путем внесения в пп акцепторной (accept- принимать), 3-х валентной примеси (B, Ga, Al).

Акцептор для образования валентных связей с четырьмя соседними атомами кремния захватывает недостающий электрон из валентной зоны путем разрыва валентной связи между атомами кремния. Для этого нужна малая энергия ионизации εi < 0,1 эВ.

Акцептор ионизируется – превращается в отрицательный ион, а на месте захваченного электрона образуется дырка. Локальные уровни акцепторов располагаются на зонной диаграмме в ЗЗ у потолка ВЗ.

(1.19)

Подставим в (1.17) значение n из (1.12)

_F=_Е+_Tln(n_i/p)= _Е_Tln(p/n_i)  _Е _Tln(N_А*/n_i), (1.20)

Для n-типа pn, уровень Ферми _Fp смещен к валентной зоне.

1.5 Температурный диапазон работы примесных полупроводников.

Полупроводник подвержен нагреву как извне (температура окружающей среды), так и “изнутри” за счет превращения электрической энергии в тепловую – в рабочем состоянии пп прибор “горячее” окружающей среды.

График показывает зависимости концентраций от температуры примесного полупроводника n-типа с концентрацией примеси N_Д=10¹⁶см^3 для кремния и германия. При Т=0К в пп отсутствуют свободные электроны. При повышении температуры примерно до Т=60К тепловая энергия КТ превышает энергию ионизации примеси и практически все доноры ионизированы. Т=60К – нижняя граница примесного полупроводника.

Дальнейшее повышение температуры не изменяет концентрацию основных зарядов, а вызывает увеличение концентрации неосновных носителей заряда n_i=p_i, при Т=300К их концентрации составляют ni=10¹³см^-3 для германия и ni=10¹⁰см^-3 для кремния. Верхняя граница для германия примерно Т=360К и для кремния 420К. При этих критических температурах примесный полупроводник вырождается в собственный. В этом смысле кремний имеет существенное преимущество перед германием. Для увеличения верхней границы рабочих температур необходимо увеличивать концентрацию примеси и использовать материалы с большей шириной ЗЗ.

1.6 Уравнение нейтральности полупроводников.

Наличие в пп зарядов разных знаков приводит к тому, что суммарный заряд некоторого объема пп равен нулю: Q=0. В общем виде уравнение нейтральности для плотности заряда записывается:

(1.21)

где q – элементарный заряд,

+qp — суммарный заряд дырок ( ),

qn=еn — суммарный заряд электронов ( ),

+qNД — суммарный заряд ионов доноров () ,

 qNД — суммарный заряд ионов акцепторов () .

1. Собственный полупроводник	2. Полупроводник n – типа	3. Полупроводник p – типа
Fi=Е C V pi ni	— + — + — + — + — + Fn V C n NД* Е	Fp V C NА* р Е
q(pini)=0	q(NД*n)=0	q(pNА*)=0

Что такое полупроводник р-типа? — Энергетическая диаграмма и проводимость

Внешний полупроводник р-типа образуется, когда в чистый полупроводник в небольшом количестве добавляется трехвалентная примесь , в результате чего в нем создается большое количество дырок. Большое количество дырок обеспечивается в полупроводниковом материале добавлением трехвалентных примесей, таких как галлий , индий и .

Такие типы примесей, которые производят полупроводник p-типа, известны как Акцепторные примеси , потому что каждый их атом создает одну дырку, которая может принять один электрон.

Содержимое:

• Диаграмма энергетических зон полупроводника р-типа
• Проводимость через полупроводник р-типа

Трехвалентная примесь типа галлия, имеющая три валентных электрона, добавляется в кристалл германия в небольшом количестве. Каждый атом примеси размещается в кристалле германия таким образом, что три его валентных электрона образуют ковалентные связи с тремя окружающими атомами германия, как показано на рисунке ниже:

В четвертых ковалентных связях только атом германия вносит один валентный электрон, а атом галлия не имеет валентных связей.

Следовательно, четвертая ковалентная связь неполная, так как у нее не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон известен как Дыра . Таким образом, каждый атом галлия обеспечивает одно отверстие в кристалле германия.

Как крайне малое количество примеси галлия имеет большое количество атомов, следовательно, обеспечивает миллионы дырок в полупроводнике.

Диаграмма зон энергий полупроводника p-типа

Диаграмма зон энергий полупроводника p-типа показана ниже: трехвалентная примесь. Небольшое или незначительное количество свободных электронов также доступно в зоне проводимости.

Они образуются, когда тепловая энергия при комнатной температуре сообщается электронно-дырочным парам, образующим кристалл германия. Но дырок больше, чем электронов в зоне проводимости. Именно из-за преобладания дырок над электронами материал называют полупроводником p-типа.

Слово «р» означает положительный материал.

Проводимость через полупроводник p-типа

В полупроводнике p-типа большое количество дырок создается трехвалентной примесью. Когда к полупроводнику этого типа приложена разность потенциалов, как показано на рисунке ниже:

Отверстия, имеющиеся в валентной зоне, направлены к отрицательному выводу. Поскольку ток через кристалл течет по дыркам, которые являются носителями положительного заряда, этот тип проводимости известен как положительный или р-тип проводимости . При проводимости p-типа валентные электроны переходят от одной ковалентной связи к другой.

Проводимость полупроводника n-типа почти вдвое больше, чем у полупроводника p-типа. Электроны в зоне проводимости полупроводника n-типа гораздо более подвижны, чем дырки в валентной зоне полупроводника p-типа.

Подвижность дырок низкая, так как они больше связаны с ядром.

Даже при комнатной температуре образуются электронно-дырочные пары. Эти свободные электроны, имеющиеся в незначительном количестве, также несут небольшой ток в полупроводниках р-типа.

См. также: Полупроводник n-типа

Сравнение полупроводников N-типа и P-типа

Введение

Полупроводник обычно представляет собой кристаллический твердый материал, который может проводить электричество при определенных контролируемых и предпочтительных условиях. Со временем, с момента открытия, полупроводники стали важной неотъемлемой частью производства электроники, поскольку они идеально подходят для управления потоком электрического тока в электронных устройствах.

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это вещество, обычно твердый химический элемент или соединение, обладающее определенными электрическими свойствами и проводящее электричество при определенных условиях. Это делает его идеальным для управления электрическим током в электронных устройствах и приборах. Любое вещество, которое может проводить электричество, называется проводником, а вещество, которое не может проводить электричество, называется изолятором. Полупроводники обладают свойствами, которые занимают промежуточное положение между проводником и изолятором.

Полупроводники могут быть чистыми элементами, такими как кремний или германий, или соединениями, такими как арсенид галлия или селенид кадмия. Во время процесса, называемого легированием, к чистым полупроводникам добавляют небольшие количества примесей, чтобы вызвать большие изменения проводимости материала. Итак, специфические свойства полупроводника определяются добавляемыми в него легирующими примесями или примесями.

Теоретически металлы и проводящие материалы имеют зонную структуру, в которой валентная зона перекрывается с зоной проводимости, в результате чего металлы могут легко проводить электричество. С другой стороны, изоляторы имеют довольно большую ширину запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому электронам трудно попасть в зону проводимости.

Полупроводники, напротив, обладают тонкой щелью между валентной зоной и зоной проводимости. При повышении температуры электроны могут получить достаточно энергии, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости. В конце концов, электроны могут войти в зону проводимости, и полупроводник может проводить электричество.

В отличие от проводников носители заряда в полупроводниках возникают только за счет внешней тепловой энергии. Это заставляет определенное количество валентных электронов пересекать энергетическую щель и прыгать в зону проводимости, оставляя такое же количество незанятых энергетических карманов, которые называются дырками. Проводимость за счет электронов и дырок одинаково важна.

Обтекаемые характеристики полупроводников перечислены ниже:

• Полупроводники подобны изоляторам при нуле Кельвина. Но при повышении температуры они работают как проводники.

• Благодаря своим уникальным электрическим свойствам полупроводники можно модифицировать с помощью легирования, чтобы сделать полупроводниковые устройства пригодными для преобразования энергии, переключателей и усилителей.

• Обеспечивают меньшие потери мощности.

• Они меньше по размеру и имеют меньший вес.

• Их удельное сопротивление больше, чем у проводников, но меньше, чем у изоляторов.

• Сопротивление полупроводникового материала уменьшается с повышением температуры и, наоборот, увеличивается с понижением температуры. [1]

Открытие и развитие полупроводников следует из первого наблюдения полупроводникового эффекта в 1833 г., хотя термин «полупроводник» ранее использовался Алессандро Вольта в 1782 г.

Фарадей заметил, что электрическое сопротивление сульфида серебра уменьшается с температурой. Затем в 1874 году Карл Браун открыл и каталогизировал первый эффект полупроводникового диода. Браун заметил, что ток свободно течет только в одном направлении на контакте между металлическим острием и кристаллом галенита.

В 1901 году было открыто самое первое полупроводниковое устройство под названием «Кошачьи усы», изобретенное Джагадисом Чандрой Бозе. Кошачьи усы — полупроводниковый выпрямитель с точечным контактом, используемый для обнаружения радиоволн.

Изобретение транзистора (устройство, состоящее из полупроводникового материала) было сделано в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли в Bell Labs.

Сам по себе полупроводник не является изобретением, но существует множество изобретений, которые представляют собой полупроводниковые устройства. Открытие полупроводниковых материалов позволило добиться невероятных и значительных успехов в электронной промышленности. Полупроводники были жизненно важны для миниатюризации компьютеров и компьютерных компонентов, а также для производства электронных компонентов, таких как диоды, транзисторы и многие другие устройства. [2]

Типы полупроводников

1. Собственный полупроводник

Собственный полупроводник состоит из полупроводникового материала в очень чистой форме.

Из-за этого он обладает очень низким уровнем проводимости, так как имеет очень мало носителей заряда, а именно дырок и электронов, которых он содержит в равных количествах. Следовательно, собственный полупроводник также может быть определен как тот, в котором количество электронов проводимости равно количеству дырок.

Германий (Ge) и кремний (Si) являются наиболее распространенным типом собственных полупроводниковых материалов, имеющих четыре валентных электрона (четырехвалентных) и связанных с атомом ковалентной связью при температуре абсолютного нуля.

При повышении температуры высвобождается небольшое количество электронов, чтобы двигаться через решетку, тем самым создавая положительно заряженную дырку в ее исходном положении. Эти свободные электроны и дырки способствуют проводимости электричества в полупроводнике. Следовательно, полупроводниковый ток состоит из движения дырок и электронов в противоположных направлениях в валентной зоне и зоне проводимости соответственно.

2. Внешний полупроводник

Внешний полупроводник — это полупроводник, легированный определенной примесью, которая способна изменять его электрические свойства. Они создаются, когда измеряемое и контролируемое количество химической примеси, называемой легирующей примесью, добавляется к собственным полупроводникам, увеличивая проводимость и делая их пригодными для электронных приложений, таких как диоды и транзисторы, или оптоэлектронных приложений, таких как излучатели света и детекторы. [3]

Внешние полупроводники можно дополнительно разделить на полупроводники N-типа и полупроводники P-типа.

Рекомендуем прочитать:  Кремниевые пластины: все, что вам нужно знать

Что такое полупроводники P-типа?

Полупроводник P-типа образуется, когда трехвалентная (имеющая три валентных электрона) примесь, такая как галлий и индий, добавляется к чистому полупроводнику в небольшом количестве, в результате чего в нем создается большое количество дырок. Эти производящие примеси p-типа известны как акцепторы, потому что каждый их атом создает одну дырку, которая может принять один связанный электрон. Дыра с положительным зарядом создается, когда три валентных электрона примеси связываются с тремя из четырех валентных электронов полупроводника и, имея один короткий электрон, ковалентная связь не может быть завершена, поэтому недостающий электрон известен как дырка.

Чрезвычайно небольшое количество примеси имеет большое количество атомов, следовательно, оно превращается в миллионы дырок, которые являются носителями положительного заряда, в полупроводнике. Следовательно, он называется полупроводником p-типа, где «p» означает положительный.

В этом полупроводнике основными носителями заряда являются дырки, тогда как неосновными носителями заряда являются электроны. Плотность дырки выше плотности электрона, а акцепторный уровень в основном лежит ближе к валентной зоне.

Что такое полупроводники N-типа?

Полупроводник N-типа описывается как тип внешнего полупроводника, легированного пятивалентным (имеющим пять валентных электронов) примесным элементом. Пятивалентные примеси или легирующие элементы добавляются в полупроводник N-типа, чтобы увеличить количество электронов для проводимости.

Примеры пятивалентных примесей включают фосфор, мышьяк и сурьму. Примесь добавляется в очень небольшом количестве в полупроводник N-типа, так что целостность кристалла основного собственного полупроводника не нарушается. Атом пятивалентной примеси образует ковалентные связи с четырьмя атомами кремния, оставляя один электрон не связанным ни с одним атомом кремния. Говорят, что каждый атом пятивалентной примеси отдает один электрон полупроводнику N-типа, поэтому он называется донорной примесью. Таким образом, в полупроводнике N-типа электронов больше, чем дырок.

Легирование полупроводников P-типа и N-типа

Из-за пятивалентной примеси в полупроводнике N-типа в структуре решетки находится некоторое количество слабо связанных электронов. При приложении определенного напряжения эти электроны получают энергию, чтобы вырваться на свободу и пересечь запрещенную щель, покидая валентную зону и входя в зону проводимости. Это приводит к тому, что в валентной зоне образуется очень небольшое количество дырок. Уровень Ферми (самый высокий энергетический уровень, который занимает электрон при температуре абсолютного нуля) находится вблизи зоны проводимости, поскольку все больше электронов входит в зону проводимости. [4]

Различия между полупроводниками P-типа и N-типа

При определении различий между полупроводниками p-типа и n-типа учитываются такие факторы, как легирующий элемент, влияние легирующего элемента, основные и неосновные носители в обоих типах рассмотрение. Кроме того, плотность электронов и дырок, уровень энергии и уровень Ферми, направление движения основных носителей и т. д. также учитываются при выяснении различий между полупроводниками p-типа и n-типа. Таким образом, в этом ключе различия очерчены следующим образом:

• Основным отличием полупроводников n-типа является то, что электроны имеют отрицательный заряд, отсюда и название n-типа. В то время как в p-типе эффект положительного заряда создается в отсутствие электрона, отсюда и название p-типа.

• В полупроводнике р-типа в качестве легирующего элемента добавляется элемент III группы периодической таблицы, а в n-типе легирующим элементом является элемент V группы.

•  В полупроводнике p-типа основными носителями являются дырки, а неосновными носителями являются электроны. Но в полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями, а дырки — неосновными.

• Плотность электронов намного больше, чем плотность дырок в полупроводнике n-типа, представленном как ne >> nh, тогда как в полупроводнике p-типа плотность дырок намного больше, чем плотность электронов: nh >> ne .

• В полупроводнике n-типа уровень энергии донора близок к зоне проводимости и удален от валентной зоны. В то время как в полупроводнике p-типа уровень энергии акцептора близок к валентной зоне и удален от зоны проводимости.

• Примесь, добавленная в полупроводник p-типа, создает дополнительные дырки, известные как атомы-акцепторы, тогда как в полупроводнике n-типа примесь обеспечивает дополнительные электроны, называемые атомами-донорами.

• Уровень Ферми полупроводника n-типа находится между энергетическим уровнем донора и зоной проводимости, а уровень Ферми полупроводника p-типа находится между энергетическим уровнем акцептора и валентной зоной.

• В полупроводнике p-типа основные носители перемещаются от более высокого потенциала к более низкому, в отличие от n-типа, где основные носители перемещаются от более низкого потенциала к более высокому.

• Трехвалентные примеси, такие как алюминий, бор, галлий и индий, добавляются в полупроводник p-типа, тогда как в полупроводник n-типа добавляются пятивалентные примеси, такие как мышьяк, сурьма, фосфор и висмут. [5]

Сравнительная таблица

Для более упрощенного представления характеристик полупроводников p-типа и n-типа приведена следующая таблица.

                

Factor of Comparison	P-Type Semiconductor	N-Type Semiconductor
Group of Doping Element	Group III element is added as doping element.	Элемент группы V добавлен в качестве легирующего элемента.
Эффект легирующего элемента	Добавленная примесь создает вакансию электронов (дырок), известную как атомы-акцепторы.	Добавленная примесь обеспечивает дополнительные электроны и называется донорным атомом.
Плотность электронов и дырок	Плотность дырок намного выше плотности электронов: nh >> ne.	Плотность электронов намного выше плотности дырок: ne >> nh.
Тип добавляемых примесей	Добавляются трехвалентные примеси, такие как Al, Ga, In и т.д.	Добавляются пятивалентные примеси, такие как P, As, Sb, Bi и т.д.
Уровень Ферми	Между энергетическим уровнем акцептора и валентной зоной и ближе к валентной зоне проводимости чем валентная зона.
Энергетический уровень	Энергетический уровень акцептора близок к валентной зоне и удален от зоны проводимости.	Уровень энергии донора близок к зоне проводимости и удален от валентной зоны.
Движение основных операторов	Основные операторы перемещаются от более высокого к более низкому потенциалу.	Основные носители перемещаются от более низкого потенциала к более высокому
Основные носители0011
Minority Carriers	Electrons are minority carriers	Holes are minority carriers

Key Takeaways

The unique properties of semiconductors make them flexible and thus extremely useful for electrical conductivity, который является основным элементом электронных устройств и приборов. Существование полупроводников n-типа и p-типа является свидетельством этой гибкости, предлагая производителям электроники и потребителям широкий спектр полезности.