Какие носители заряда являются основными в полупроводнике с акцепторной?

5 ответов на вопрос “Какие носители заряда являются основными в полупроводнике с акцепторной?”

  1. Rez Free 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 и акцепторных – с концентрацией 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.

  2. foreva_yong 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.

  3. E_n_I_g_M_a Ответить

    Донорные и акцепторные примеси. Электронная и дырочная проводимости
    Донорные примеси – атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию электронов.
    Донорными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с меньшей, чем у примеси, валентностью.
    Акцепторные примеси – атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию дырок.
    Акцепторными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с большей, чем у примеси, валентностью.
    Ток в полупроводниках, как и ток в проводниках это упорядоченное движение носителей зарядов. В проводниках этими зарядами являются свободные электроны, а в полупроводниках возможны два типа проводимости электронная и дырочная.
    Одним из основных отличий полупроводников от проводников является зависимость сопротивления от температуры. В проводниках с понижением температуры сопротивление уменьшается из-за уменьшения теплового движения препятствующего току, а в полупроводниках увеличивается.
    Разберемся, почему это происходит на примере атома германия типичного полупроводника. У этого атома на внешней орбите находятся четыре валентных электрона. Связь между атомами в кристалле происходит парами валентных электронов. Каждый такой электрон принадлежит сразу двум атомам. Связь валентных электронов значительно сильнее, чем в металлах при комнатной температуре и поэтому им тяжело отрываются от атома. Таким образом, электронов проводимости очень мало. Следовательно, сопротивление велико.
    С увеличением температуры электроны получают энергию и способны покинуть атом. У атома, оставшегося без электрона, появляется вакансия на внешней орбите, которую тут же занимает электрон от другого атома. Атом с вакансией называется дыркой.
    При помещении полупроводника в электрическое поле упорядоченно двигаться начинают не только электроны, но и дырки. Дырки в этом случае ведут себя как частицы заряженные положительно.

    Рисунок 1 Кристаллическая решётка полупроводника германия
    Количество электронов равно количеству дырок только у чистых полупроводников их проводимость называется собственной. Если к полупроводнику добавить примесь, то характер проводимости меняется. Различают два типа проводимости электронная и дырочная.
    Электронная проводимость это когда к атому германия с четырьмя электронами добавить атом мышьяка, у которого пять валентных электронов. Таким образом, появляется один лишний электрон не занятый в связях. Он легко отрывается от атома мышьяка, который в этом случае становится положительным ионом. Примесь с большей валентностью, чем основной полупроводник называется донорной.

  4. Gaviris 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).

  5. Dujar Ответить

    Число локальных уровней определяется количеством атомов примеси в кристалле. На рисунке 1.5, б локальные уровни показаны пунктиром. Так как ширина ? мала (в зависимости от типа исходного полупроводника и материала донорной примеси ? = 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 , а не собственными электронами валентной зоны, преодолевающими широкую запрещенную зону ?WЗ. 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 ? между энергией акцепторных уровней и энергией верхнего уровня валентной зоны мала (в зависимости от типа полупроводника и материала акцепторной примеси ? = 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 ?. 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 ? и
    рp ? ).
    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 ?. 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.

Добавить комментарий для Dujar Отменить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *