Какие носители заряда являются основными в полупроводниках р типа?

7 ответов на вопрос “Какие носители заряда являются основными в полупроводниках р типа?”

Bu11d0zer 12-03-2020 Ответить

Если некоторый полупроводник одновременно легирован донорами и акцепторами, то можно получить материал любого типа в зависимости от того, какая из добавок имеет большую концентрацию.
Расчёт параметров n и p для примесного полупроводника нужно производить с учетом условия электронейтральности, связывающего концентрации носителей заряда и концентрации примесных атомов.

где n и p – концентрация электронов и дырок, N+д – концентрация ионизированных доноров, N-a – концентрация ионизированных акцепторов.
Справедливость этого условия вытекает из следующих положений:
Полупроводник, на который не действует внешнее электрическое поле, является электрически нейтральным.
Введение донорных примесей с концентрацией Nд и акцепторных – с концентрацией Nа обуславливает появление добавочных электронов и дырок.
Все донорные и акцепторные примеси ионизированы.
Часто в практически важных случаях, когда T=Tкомн=3000K и все доноры ионизированы, а точнее когда выполняется условие

(где gд=2 – фактор вырождения примесного уровня, что справедливо при низких температурах)
можно считать, что

Тогда

C учётом этого концентрация ионизированных доноров:

(*)
Логарифмируем (*) и получаем выражение для положения уровня Ферми в примесном полупроводнике n-типа:

Концентрация ионизированных акцепторов:

Если при определённых условиях, скажем при низких температурах, некоторые атомы донорной примеси оказываются неионизированными, то концентрация ионизированных атомов этой примеси:

NД+ является мерой числа ушедших с донорских уровней, значит:

P(ЭД) – вероятность нахождения e– на уровне ЭД,
{1-P(ЭД)} – вероятность того, что е– не находится на уровне ЭД,
NД – общая концентрация атомов донорной примеси
NДn – концентрация нейтральных атомов этой примеси
Найдем NДn в соответствии с распределением Ферми-Дирака:

Отсюда:

где Pn(ЭД) – вероятность того, что е- находится на уровне ЭД,
gД – фактор вырождения примесного уровня,
множитель учитывает то, что на примесном уровне содержится лишь один электрон.
Аналогично

Отсюда

множитель учитывает наличие двух ориентаций спина и существования двух вырожденных валентных зон (как это в кремнии)
Отметим, что энергетический уровень будет вырожденным, если одному и тому же значению энергии соответствуют различные состояния электрона (например, отличия в магнитных спинах).
Если полупроводник легирован донорной примесью с концентрацией Nд (см-3)

n – концентрация e– в зоне проводимости
p – концентрация e+ в валентной зоне
Nд+ – концентрация ионизированных доноров

g – фактор вырождения донорного примесного уровня. g=2, т.к. электрон на этом уровне может иметь одно из двух значений спина.
концентрация ионизированных акцепторов

gA – фактор вырождения акцепторного состояния.
B Ge, Si и GaAs gA=2 из-за двухкратного вырождения валентной зоны при волновом векторе k=0.
Таким образом

В интервале 150 £ T £ 3000K можно считать

a – температурный коэффициент изменения величины DЭ, [эВ/0К];
тогда

(*)
Ao – некоторая постоянная

Правая часть этого (*) уравнения зависит от T и DЭ и не зависит от концентрации носителей. Поэтому левая часть должна оставаться постоянной независимо от того является полупроводник чистым или в нём присутствуют примеси.

A¹A0, но A – это const.
stasyo 12-03-2020 Ответить

Число локальных уровней определяется количеством атомов примеси в кристалле. На рисунке 1.5, б локальные уровни показаны пунктиром. Так как ширина ΔWД мала (в зависимости от типа исходного полупроводника и материала донорной примеси ΔWД = 0,01…0,07 эВ), при комнатной температуре практически все электроны донорных уровней перейдут в зону проводимости и смогут участвовать в создании тока.
Концентрация свободных электронов в зоне проводимости при этом определяется преимущественно концентрацией введенной примеси NД, а не собственными электронами валентной зоны, преодолевающими широкую запрещенную зону ΔWЗ. В соответствии с этим концентрация электронов nn в полупроводнике n-типа существенно выше концентрации дырок pn, образующейся в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Можно считать, что в полупроводнике n-типа ток создается в основном электронами. Другими словами, электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.
В полупроводниках p-типа введение примеси направлено на повышение концентрации дырок. Задача решается использованием в качестве примеси элементов III группы Периодической системы (индий, алюминий, бор), атомы которых имеют по три валентных электрона. При наличии такой примеси каждый ее атом образует только три заполненные ковалентные связи с соседними атомами исходного полупроводника в кристаллической решетке (рисунок 1.6, а). Четвертая связь остается незаполненной. Недостающий валентный электрон для заполнения связи переходит от одного из соседних атомов кристаллической решетки, так как требуемая для такого перехода энергия невелика. Переход электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи соседнего атома, откуда ушел электрон, и превращению атома примеси в неподвижный отрицательный ион. В результате за счет примеси достигается повышение концентрации дырок в полупроводнике. Атомы примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, называют акцепторными, а саму примесь — акцепторной.
В условиях достаточно большой концентрации атомов акцепторной примеси в кристалле полупроводника создается некоторая концентрация дырок и отрицательных ионов. Пока число дырок в данном слое полупроводника остается равным числу отрицательных ионов в нем, в слое сохраняется зарядная нейтральность. Если вошедшие из других слоев электроны заполнят некоторое число существующих дефектов валентной связи (рекомбинация электронов с дырками), в данном слое появится нескомпенсированный отрицательный объемный заряд, создаваемый ионами акцепторной примеси.
Рассмотрим процесс образования дырок в полупроводнике р-типа, исходя из его энергетической диаграммы. При наличии акцепторной примеси в запрещенной зоне энергетической диаграммы исходного полупроводника вблизи валентной зоны появляются локальные уровни энергии, свободные от электронов при температуре абсолютного нуля (рисунок 1.6, б). Число локальных уровней определяется концентрацией атомов примеси в кристалле. Так как разность ΔWА между энергией акцепторных уровней и энергией верхнего уровня валентной зоны мала (в зависимости от типа полупроводника и материала акцепторной примеси ΔWА = 0,01…0,07 эВ), то при комнатной температуре все акцепторные уровни будут заняты электронами, перешедшими из валентной зоны. В валентной зоне появится большая концентрация дырок.
Концентрация дырок в валентной зоне при этом определяется преимущественно концентрацией внесенной акцепторной примеси Na, а не дырками, возникающими при термогенерации носителей заряда за счет преодоления валентными электронами широкой запрещенной зоны ΔWЗ. В соответствии с этим концентрация дырок рp в полупроводнике р-типа существенно больше концентрации свободных электронов np. По этой причине ток в дырочном полупроводнике переносится в основном дырками. Дырки в этом случае являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными.
Таким образом, в примесных полупроводниках концентрации основных носителей заряда (nn– электронного полупроводника и pp – дырочного полупроводника) создаются за счет внесения примеси, а концентрации неосновных носителей заряда (pn, np – соответственно электронного и дырочного полупроводников) — за счет термогенерации носителей заря да, связанной с переходом элек-

Рисунок 1.6 – Возникновение дырки в кристалле полупроводника р-типа (а) и отражение этого процесса на энергетической диаграмме (б)
тронов из валент-ной зоны в зону проводимости. Примесь вносится в количестве, при котором концентрация основных носителей заряда существенно (на два – три порядка) превышает концентрацию неосновных носителей заряда. В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с чистым полупроводником в десятки и сотни тысяч раз.
Характерной особенностью полупроводников рассматриваемых типов является то, что произведение концентраций основных и неосновных носителей заряда при данной температуре является постоянной величиной и определяется соотношением:

(1.2)
где ni = pi – собственные концентрации носителей заряда в чистом полупроводнике.
В соответствии с выражением (1.2) концентрация неосновных носителей заряда в примесном полупроводнике меньше концентрации собственных носителей заряда в чистом полупроводнике. Это связано с тем, что с увеличением концентрации основных носителей заряда возрастает роль рекомбинаций, вследствие чего концентрация неосновных носителей заряда уменьшается. Равновесие достигается, когда при данной температуре произведение концентраций носителей заряда в примесном полупроводнике становится равным произведению концентраций носителей заряда в чистом полупроводнике.
Зависимость концентрации носителей заряда от температуры накладывает ограничения на температурный диапазон применения полупроводниковых приборов. Рабочий диапазон температур характеризуется существенным превышением в примесных полупроводниках концентрации основных носителей заряда над неосновными (nn » pn и рp » np) при концентрации основных носителей заряда, близкой к концентрации внесенной примеси (nn ≈ NД и
рp ≈ NА).
При температурах, превышающих верхний температурный предел, причиной нарушения условия nn » pn , рp » np является повышение роли концентрации носителей заряда, создаваемых в кристалле при термогенерации за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны ΔWЗ. При этом может оказаться, что концентрация носителей заряда и электрическая проводимость в полупроводнике будут определяться не концентрацией внесенной примеси, а концентрацией собственных носителей заряда — электронов и дырок (вырождение примесного полупроводника в собственно полупроводник). Верхний температурный предел зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника и составляет для германия 75°…85°С, а для кремния 150°…170°С. В этом проявляется существенное преимущество кремния как материала для полупроводниковых приборов.
При температуре ниже рабочего диапазона концентрация неосновных носителей заряда, создаваемая термогенерацией, ничтожно мала. Основную роль здесь играет понижение концентрации основных носителей заряда (и уменьшение электрической проводимости) вследствие уменьшения количества ионизированных атомов примеси. Нижний температурный предел работы полупроводниковых приборов составляет от минус 55° до минус 60°С.
Anton_loganov 12-03-2020 Ответить

Механизм электрической проводимости
Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10−19 Дж против 11,2·10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.
В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника. Те носители, концентрация которых выше, называют основными носителями заряда, а носители другого типа — неосновными.
Если концентрация электронов значительно превосходит концентрацию дырок, то такой полупроводник называют полупроводником n-типа проводимости. В этом случае основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями — дырки.
Соответственно, если концентрация дырок выше, чем электронов, то полупроводник называют полупроводником p-типа. В нем основными носителями являются дырки, а неосновными носителями — электроны.
Концентрация равновесных носителей заряда в полупроводнике определяется только температурой образца и концентрацией легирующих примесей. Под действием внешних воздействий (инжекция, облучение образца светом, ионизирующими частицами или ионизирующим излучением) в полупроводнике возникают неравновесные носители заряда, и полная концентрация носителей заряда увеличивается.
asme35 12-03-2020 Ответить

Концентрация дырок в валентной зоне определяется преимущественно концентрацией внесенной акцепторной примеси , а не дырками, возникающими при термогенерации носителей заряда за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны. В соответствии с этим концентрация дырок в полупроводнике p-типа существенно больше концентрации свободных электронов . Дырки в этом случае являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.
Необходимая для создания полупроводников n и p-типа примесь вносится в количестве, при котором концентрация основных носителей заряда существенно (на два-три порядка) превышает концентрацию неосновных носителей заряда. В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с чистым полупроводником в десятки и сотни тысяч раз.
Характерной особенностью примесных полупроводников является то, что произведение концентраций основных и неосновных носителей заряда при данной температуре является постоянной величиной и определяется соотношением

(11)
где собственные концентрации носителей заряда в чистом полупроводнике.
Зависимость концентрации носителей заряда от температуры накладывает ограничения на температурный диапазон применения полупроводниковых приборов. Рабочий диапазон температур характеризуется существенным превышением в примесных полупроводниках кноцентрации основных носителей заряда над неосновными ( и ) при концентрации основных носителей заряда, близкой к концентрации внесенной примеси ( и ).
При температурах, превышающих верхний температурный предел, число носителей заряда, создаваемых в кристалле при термогенерации за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны, резко возрастает. При этом может оказаться, что электрическая проводимость в полупроводнике будет определяться не концентрацией внесенной примеси, а концентрацией собственных носителей заряда. Верхний температурный предел зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника и составляет для германия 75…85 0С, а для кремния 150…170 0С. При этом преимущество кремния над германием очевидно.
При температуре ниже рабочего диапазона основную роль в создании тока играют основные носители заряда, уменьшение концентрации которых за счет уменьшения количества ионизированных атомов примеси вызывает уменьшение электрической проводимости. Нижний температурный предел работы полупроводниковых приборов составляет – 55… – 60 0С.
1.2. Физические процессы в р-n-переходе
Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n-переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая — дырочную.
1.2.1. Образование p-n-перехода.
p-n-переход в равновесном состоянии
Равновесным называют такое состояние перехода, когда отсутствует внешнее напряжение. Представим два полупроводника: один имеет дырочную, а другой – электронную электропроводность. В дырочном полупроводнике (p-типа) присутствуют в равном количестве подвижные положительные дырки (основные носители заряда) и неподвижные отрицательные ионы (рис. 18, а). Кроме того, в малом количестве имеются неосновные носители заряда – электроны (на рис. 18 не показаны), обусловленные процессом термогенерации.
В электронном полупроводнике (n-типа) присутствуют в равном количестве неподвижные положительно заряженные ионы и свободные отрицательно заряженные электроны (рис. 18, а). В малом количестве присутствуют неосновные носители заряда – дырки.
Будем считать, что рассматриваемые полупроводники соединили и они стали единым кристаллом (рис. 18, б). Тогда по закону диффузии электроны из n-области будут перемещаться в p-область, рекомбинируя с дырками, а на месте ушедших из n-области электронов будут образоваться вакантные положительно заряженные области – дырки.

Рис. 18. Физические процессы в p-n-переходе в равновесном состоянии
Дырки, образовавшиеся в n-области, рекомбинируют с электронами этой области. Вследствие ухода основных носителей заряда из приграничных областей и их рекомбинации с носителями заряда противоположного знака концентрации основных носителей заряда ( и ) в обеих приграничных областях, суммарная ширина которых , снижаются. В результате в пограничной области образуются некомпенсированные заряды неподвижных ионов (рис. 18, в). Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле , которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход. Таким образом, область некомпенсированных неподвижных зарядов со своим электрическим полем и называется р-n-переходом. p-n-переход характеризуется двумя основными параметрами:
1) высота потенциального барьера (контактная разность потенциалов) – . Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда, выражается в единицах напряжения – вольтах (В). Этот параметр показан на зонной энергетической диаграмме p-n-перехода на рис. 19.

Рис. 19. Энергетическая диаграмма p-n -перехода
Иными словами, – энергия, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер:

(12)
где k – постоянная Больцмана;
е – заряд электрона;
Т – температура;
Nа и Nd – концентрации акцепторов и доноров в дырочной
и электронной областях соответственно;
рр и рn – концентрации дырок в р- и n-областях соответственно;
ni –собственная концентрация носителей заряда в нелигированном полупроводнике;
– температурный потенциал.
При температуре Т=27 0С =0.025 В; для германиевого перехода =0,3–0.5 В; для кремниевого перехода =0,6–0.8 В. Различие в значениях для кремния и германия объясняется меньшей концентрацией неосновных носителей заряда (при одинаковой температуре и одинаковых внесенных примесей);
2) ширина p-n-перехода (см. рис. 18) – это приграничная область, обеднённая подвижными носителями заряда, которая располагается в p и n областях:
,
(13)
, ,
(14)
отсюда
,
(15)
где относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника;
ε0 – диэлектрическая постоянная свободного пространства.
Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок (0,1÷10) мкм. Если , то и p-n-переход называется симметричным, если , то и p-n-переход называется несимметричным, причём он в основном располагается в области полупроводника с меньшей концентрацией примеси.
В равновесном состоянии (без внешнего напряжения) через р-n-переход движутся два встречных потока зарядов (протекают два тока). Это дрейфовый ток неосновных носителей заряда и диффузионный ток, который связан с основными носителями заряда. Так как внешнее напряжение отсутствует и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый и диффузионный токи взаимно уравновешиваются и результирующий ток равен нулю:
.
(16)
Это соотношение называют условием динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n-переходе.
1.2.2. p-n-переход при внешнем напряжении
Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n-переходе, p-n-переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения, приложенного к областям p-n-перехода, возможно два режима работы.
1.Прямое смещениеp-n-перехода. p-n-переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс источника питания подсоединен к р-области, а отрицательный – к n-области (рис. 20).
При прямом смещении напряжения и направлены встречно, результирующее напряжение на p-n-переходе убывает до величины –U . Это приводит к тому, что напряженность электрического поля убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Кроме того, прямое смещение уменьшает ширину p-n-перехода, т. к. . Ток диффузии, ток основных носителей заряда, становится много больше дрейфового. Через p-n-переход протекает прямой ток:
.
(17)
При протекании прямого тока основные носители заряда n-области –электроны – переходят в p-область, где становятся неосновными. В n-области вместо ушедших электронов образуются дырки, которые в этой области также являются неосновными носителями заряда. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным током, или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда накапливающихся в p и n-областях, во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т. е. принцип электронейтральности сохраняется.
Проще говоря, в p-n-переходе при прямом смещении протекает следующий процесс. Электрический ток – это упорядоченное движение свободных носителей заряда. Исторически сложилось, что за направление тока принимают направление, в котором перемещаются (или могли перемещаться) носители положительного заряда, т. е. от «+» к «–». Фактически же, в металлах носители заряда – электроны – перемещаются в противоположном направлении – от «–» к «+». Таким образом, электроны поступают в n-область перехода со стороны отрицательного полюса источника. Под действием сил электрического притяжения электроны стремятся скомпенсировать положительный заряд, образованный дырками в близлежащем к p-n-переходу p-слое полупроводника. Ширина p-n -перехода уменьшается, возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Электроны из n-области начинают перемещаться в p-область, замещая дырки, а на месте ушедших из n-области электронов образуются вакантные положительно-заряженные области – дырки. Процесс носит направленный характер – электроны диффундируют через p-n-переход в сторону положительного полюса источника, а дырки – в противоположную сторону. Физически данный процесс можно сравнить с перемещением людей через болото по кочкам. Люди в данном случае выступают в роли электронов, а кочками являются дырки.

Рис. 20. p-n-переход, смещённый в прямом направлении
Таким образом, в цепи возникает ток, причем в области полупроводника он образуется двумя носителями заряда – электронами и дырками.
При увеличении U ток, протекающий через полупроводник, резко возрастает:
,
(18)
где температурный потенциал;
ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда.
Ток может достигать больших величин т. к. связан с основными носителями, концентрация которых велика.
2.Обратное смещениеp-n перехода. Возникает, когда к р-области приложен минус, а к n-области – плюс внешнего источника напряжения (рис. 21).
Такое внешнее напряжение U включено согласно . Оно увеличивает высоту потенциального барьера до величины ; напряженность электрического поля возрастает; ширина p-n-перехода возрастает, т. к. ; процесс диффузии полностью прекращается, и через p-n- переход протекает дрейфовый ток – ток неосновных носителей заряда.
Иными словами, при обратном смещении p-n перехода под действием электрических сил электроны, находящиеся в n-области, перемещаются от границы p-n-перехода в сторону положительного полюса источника, а дырки в p-области – в сторону отрицательного полюса. В результате диффузия основных носителей заряда прекращается и через p-n- переход протекает дрейфовый ток неосновных носителей заряда (электроны в p-области и дырки в n-области), которые в небольших количествах присутствуют в соответствующих областях (рис. 21). Физически это можно сравнить со скоплением на одной стороне болота кочек (дырок), а на другой – людей (электронов). Люди (электроны) не могут перебраться через болото (p-n-переход).

Рис. 21. p-n-переход, смещённый в обратном направлении
Небольшой ток, связанный с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации, называют тепловым током и обозначают – I0 , т. е.
.
(19)
Этот ток мал по величине, т. к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. Таким образом, p-n-переход обладает односторонней проводимостью.
Величина обратного тока сильно зависит от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n-перехода. Температурная зависимость обратного тока определяется выражением
,
(20)
где номинальная температура;
фактическая температура;
температура удвоения теплового тока:

Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового тока перехода на основе германия (на 3-4 порядка). Это связано с материала. В этом еще одно преимущество кремния над германием. С увеличением площади перехода возрастает его объем, а следовательно, возрастает число неосновных носителей, появляющихся в результате термогенерации, и тепловой ток.
Итак, главное свойство p-n-перехода – это его односторонняя проводимость, которая обусловливается тем, что прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. А концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию неосновных носителей.
vlad433 12-03-2020 Ответить

Плоская кристаллическая решетка, представленная на рис. 1.3, возможна только при температуре абсолютного нуля. Уже при комнатной температуре под действием тепловых колебаний атомов в решетке часть валентных связей разрывается. Количество разрушенных связей зависит от температуры. В результате этого процесса образуется свободный электрон и незаполненная (оборванная) связь между атомами кристаллической решетки (рис. 1.4). Эта незаполненная связь получила название дырки. Дырка также как электрон подвижна, совершает хаотическое или направленное движение внутри кристаллической решетки после своего появления, а затем рекомбинируется с одним из свободных электронов. Время существования дырки носит название времени жизни.

Следовательно, в полупроводнике имеются два вида носителей – электрон и дырка, которые имеют противоположное направление движения, но так как заряд у них разный, то полный ток (полная проводимость) определяются перемещением электронов и дырок.
Рассмотренная кристаллическая решетка относится к абсолютно чистому или однородному полупроводнику, который носит название собственного. В полупроводниковой электронной технологии наибольшее применение получили примесные полупроводники, которые имеют по отношению к собственному полупроводнику несравнимо большею проводимостью. В качестве примеси используются трех и пяти валентные материалы.
Для примера добавим в кремний пятивалентный мышьяк в количестве примерно 10–5 % , от атомов кремния. В этом случае атом мышьяка займет один из узлов кристаллической решетки. Четырьмя валентными электронами соединится с соседними атомами образуя при этом устойчивую кристаллическую решетку, а пятый электрон оказывается слабо связанным с ядром и уже при комнатной температуре становится свободным (рис. 1.5).
Следовательно, в таком полупроводнике появляется большое количество свободных электронов (проводимость возрастает в сотни раз). Такие полупроводники получили название n-полупроводников, а примесь – донорной. Основными носителями в n-проводников являются электроны, а неосновными – дырки, концентрация которых значительно меньше концентрации электронов. В качестве донорной примеси кроме мышьяка часто используетсяфосфор (Р), висмут (В), сурьма (Sb). Если электрон покинет атом донора, то внутри кристаллической решетки образуется неподвижный положительный ион донора (рис. 1.6).
Если в чистый полупроводник добавить 3-валентную примесь (например, индий (In), бор (В), галий (Gа) и т.д.) в той же пропорции, что и донорная примесь, то атом примеси займет один из узлов в кристаллической решетке, тремя валентными электронами соединится с тремя соседними атомами, а одна валентная связь останется незаполненной (рис. 1.7). Такие полупроводники получили название р-полупроводников, а примесь – акцепторной. Основные носители в р-полупроводнике дырки, неосновные – электроны, так как концентрация дырок несравнимо больше концентрации электронов. Если дырка, образованная акцепторной примесью, рекомбинируется с электроном, то внутри кристаллической решетки образуется неподвижный отрицательный ион акцептора (рис. 1.8).
AntonySY 12-03-2020 Ответить

1. Донорные примеси.
Донорными называют примеси, легко отдающие электроны, и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов. Донорные примеси поставляют электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок.
Типичным примером донорной примеси в четырёхвалентном германии Ge являются пятивалентные атомы мышьяка As.
В других случаях практически невозможным становится движение свободных электронов, и ток осуществляется только движением дырок. Эти полупроводники называются дырочными полупроводниками или полупроводниками p – типа (от латинского слова positivus – положительный). Основными носителями заряда являются дырки, а не основными – электроны. . Полупроводники р – типа – это полу-проводники с акцепторными примесями.
2. Акцепторные примеси.
Акцепторными называют примеси в которых для образования нормальных парноэлектронных связей недостаёт электронов.
Примером акцепторной примеси в германии Ge являются трёхвалентные атомы галлия Ga

Электрический ток через контакт полупроводников р- типа и n- типа p-n переход – это контактный слой двух примесных полупроводников p-типа и n-типа; p-n переход является границей, разделяющей области с дырочной (p) проводимостью и электронной (n) проводимостью в одном и том же монокристалле.

Прямой p-n переход

Если n-полупроводник подключён к отрицательному полюсу источника питания, а положительный полюс источника питания соединён с р-полупроводником, то под действием электрического поля электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников. Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки, ток через р-n-переход осуществляется основными носителями заряда. Вследствие этого проводимость всего образца возрастает. При таком прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление уменьшаются.
В этом направлении ток проходит через границу двух полупроводников.

Обратный р-n-переход
Если n-полупроводник соединён с положительным полюсом источника питания, а р-полупроводник соединён с отрицательным полюсом источника питания, то электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике под действием электрического поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны, ток через р-n-переход осуществляется неосновными носителями заряда. Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление – большим.
Образуется так называемый запирающий слой. При таком направлении внешнего поля электрический ток через контакт р- и n-полупроводников практически не проходит.

Таким образом электронно-дырочный переход обладает одно-сторонней проводимостью.
Зависимость силы тока от напряжения – вольт – амперная характеристика р-n перехода изображена на рисунке (вольт – амперная характеристика прямого р-n перехода изображена сплошной линией, вольт – амперная характеристика обратного р-n перехода изображена пунктирной линией).

Полупроводниковые приборы:
Полупроводниковый диод – для выпрямления переменного тока, в нем используют один р – n – переход с разными сопротивлениями: в прямом направлении сопротивление р – n – перехода значительно меньше, чем в обратном.
Фоторезисторы – для регистрации и измерения слабых световых потоков. С их помощью определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий.
Термисторы – для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации.

Какие носители заряда являются основными в полупроводниках р типа?

7 ответов на вопрос “Какие носители заряда являются основными в полупроводниках р типа?”

Добавить ответ Отменить ответ