Чем определяется проводимость примесных полупроводников

Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную,

и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей.

Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре порядка 3·1013 / см3. В то же время число атомов германия в 1 см3

1023. Проводимость полупроводников увеличивается с введением примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.

Примесными центрами могут быть:

атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;

избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;

различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).

Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As5+, которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях.

Энергия отрыва (энергия ионизации) пятого валентного электрона мышьяка в кремнии равна 0,05 эВ = 0,08·10−19 Дж, что в 20 раз меньше энергии отрыва электрона от атома кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка теряют один из своих электронов и становятся положительными ионами. Положительные ионы мышьяка не могут захватить электроны соседних атомов, так как все четыре связи у них уже укомплектованы электронами. В этом случае перемещения электронной вакансии — «дырки» не происходит и дырочная проводимость очень мала, то есть практически отсутствует. Небольшая часть собственных атомов полупроводника ионизирована, и часть тока образуется дырками, то есть донорные примеси — это примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения равного количества подвижных дырок. В итоге мы получаем полупроводник с преимущественно электронной проводимостью, называемый полупроводником n-типа.

В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In3+ атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает». Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка. Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны.

Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа.

Необходимо отметить, что введение примесей в полупроводники, как и в любых металлах, нарушает строение кристаллической решетки и затрудняет движение электронов. Однако сопротивление не увеличивается из-за того, что увеличение концентрации носителей зарядов значительно уменьшает сопротивление. Так, введение примеси бора в количестве 1 атом на сто тысяч атомов кремния уменьшает удельное электрическое сопротивление кремния приблизительно в тысячу раз, а примесь одного атома индия на 108 — 109 атомов германия уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.

Возможность управления удельным сопротивлением благодаря введению примесей используется в полупроводниковых приборах.

Дырочная проводимость не является исключительной особенностью полупроводников. У некоторых металлов и их сплавов существует смешанная электронно-дырочная проводимость за счет перемещений некоторой части неколлективированных валентных электронов. Например, в цинке, бериллии, кадмии, сплавах меди с оловом дырочная составляющая электрического тока преобладает над электронной.

Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей тока — электронов или дырок.

Источник

Примесная проводимость полупроводников.

Отличительной особенностью полупроводников является их способ­ность существенно увеличивать проводимость при добавлении примесей в кристалл. Проводимость эта, в отличие от собственной, так и называется — примесная проводимость. Именно благодаря этому свойству полупроводники нашли столь широкое практическое применение.

Примесная проводимость полупроводника, в зависимости от вида примеси, может быть электронной — ее создают донорные примеси — либо дырочной — ее создают акцепторные примеси. Полупроводники с электронной проводимостью называются полупроводниками n-типа (от слова negative — отрицательный). Полупроводники с дырочной примесной проводимостью называются полупроводниками p—типа (от слова positive — положительный).

Донорными примесями являются такие, добавление которых приводит к существенному увеличению концентрации свободных электронов в кристалле. Для того, чтобы примесь была доно­ром электронов, необходимо, чтобы валентность элементов, ее составляющих, была больше вален­тности атомов решетки. Для кремния такой донорной примесью являются атомы пятивалентного мышьяка (As). Четыре электрона As участвуют в образовании парноэлектронной связи, а пятый электрон оказывается очень слабо связанным с атомом As и легко становится свободным.

Акцепторные примеси приводят к увеличению концентрации дырок. В соответствии с вышес­казанным, валентность атомов акцепторной примеси ниже валентности атомов решетки кристал­ла. Для кремния такой примесью является трехвалентный индий (In). Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями не хватает одного электрона. В результате об­разуется дырка. При наличии поля возникает дырочная проводимость.

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

p—n-Переход — это простейшая полупроводниковая структура, которая используется в большинстве полупроводниковых приборов. Для получе­ния p-n-перехода полупроводниковый образец легируют (вводят в него примеси) таким образом, чтобы в одной его части преобладали донорные примеси, а в другой — акцепторные, в результате получают контакт полу­проводника n-типа с полупроводником p-типа.

Основным свойс­твом p-n-перехода является его способность пропускать ток только в одном направлении, если напряжение приложено к образцу так, что про­водимость осуществляется основными носителями тока, как это показано на рисунке выше: «-» со стороны полупроводника n-типа, «+» — со стороны p-типа (электроны из n-области переходят в p-область, и наоборот).

Если теперь поменять полярность приложенного напряжения U, то ток через p-n-переход практически не идет, т. к. переход через контакт осуществляется неосновными носителями, которых мало. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода изображена на рисунке ниже.

Здесь правая часть графика — это прямой переход (осуществляемый основными носителями), левая, пунк­тирная часть — обратный переход (осуществляемый неосновными носите­лями). Свойства p-n-перехода используются для выпрямления переменно­го тока в устройствах, которые называются полупроводниковыми диодами.

Источник

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Собственная и примесная проводимость полупроводников

В валентной зоне освобождаются квантовые состояния, которые электронами не заняты. Эти состояния называют дырками. Они являются носителями тока.

Электроны способны совершать квантовые переходы в незаполненные состояния. Заполненные состояния в этом случае освобождаются, то есть становятся дырками. В результате чего можно наблюдать появление равновесной концентрации дырок.

При отсутствии внешнего поля ее значение одинаковое по всему объему проводника. Квантовый переход сопровождается его перемещением против поля. Он способен уменьшить значение потенциальной энергии системы. Переход, который связан с перемещением в направлении поля, способен увеличить потенциальную энергию системы. При наличии преобладания количества переходов против поля над переходами по полю через полупроводник начнет протекать ток по движению приложенного электрического поля. Незамкнутый полупроводник характеризуется течением тока до тех пор, пока электрическое поле не будет компенсировать внешнее. Конечный результат такой же, как если бы в качестве носителей тока были не электроны, а положительно заряженные дырки. Отсюда следует, что различают два вида проводимости полупроводников: электронная и дырочная.

Носителя тока в металлах и полупроводниках считаются электроны, а дырки введены формально. Дырки в качестве положительно заряженных частиц не существует. Но перемещение в электрическом поле такое же, как и при классическом рассмотрении положительно заряженных частиц. Небольшая концентрация электронов в зоне проводимости и дырки в валентной зоне позволяют применять классическую статистику Больцмана.

Дырочная и электронная проводимости не связаны с наличием примесей. Ее называют собственной электропроводностью полупроводников.

Если имеется идеально чистый проводник без примесей, то каждому освобожденному электрону при помощи теплового движения или света соответствовало бы образование одной дырки, иначе говоря, количество электронов и дырок, участвующих в создании тока, было бы одинаковое.

Существование идеально чистых полупроводников невозможно, поэтому при необходимости их создают искусственным путем. Даже наличие малого количества примесей способно повлиять на изменение свойств полупроводника.

Примесная проводимость полупроводников

Электропроводность полупроводников, вызванная наличием примесей атомов других химических элементов, называют примесной электрической проводимостью.

Небольшое их количество способно существенно влиять на увеличение проводимости. В металлах происходит обратное явление. Примеси способствуют уменьшению проводимости металлов.

Увеличение проводимости с примесями объясняется тем, что происходит появление дополнительных энергетических уровней в полупроводниках, находящихся в запрещенной зоне полупроводника.

Донорные и акцепторные примеси

Пусть дополнительные уровни в запрещенной зоне появляются около нижнего края зоны проводимости. Если интервал, отделяющий дополнительные уровни энергии от зоны проводимости, мал при сравнении с шириной запрещенной зоны, то произойдет увеличение числа электронов в зоне проводимости, значит, сама проводимость полупроводника возрастет.

Примеси, которые перемещают электроны в зону проводимости, называют донорами или донорными примесями. Дополнительные энергоуровни получили название донорных уровней.

Пусть с введением примеси возникают добавочные уровни около верхнего края валентной зоны. В этом случае электроны из этой зоны переходят на добавочные уровни. Валентная зона характеризуется появлением дырок, так как появляется дырочная электропроводность проводника. Примеси такого рода получили название акцепторных. Дополнительные уровни, располагаемые в них, называют акцепторными.

Вид проводимости, которым обладает полупроводник, определяют по знаку эффекта Холла.

Легирование – это процесс введение примесей. Если примесный уровень обладает высокой концентрацией, то происходит их расщепление. Перекрытие границ соответствующих энергетических зон считается результатом процесса.

Объяснить, к какому типу примеси относят атомы мышьяка, бора, находящихся в кристаллической решетке кремния.

При рассмотрении бора в качестве примеси для кремния видно, что атом бора имеет наружную оболочку, состоящую из трех электронов. Атом бора захватывает четвертый электрон из соседнего места, находящегося в кристалле кремния. Именно там происходит появление дырки. Отрицательный ион бора, появившийся в ней, вытесняет атом кремния из кристаллической решетки и занимает его место. Говорят о возникновении в нем дырочной проводимости. Бор считается акцепторной примесью.

Ответ: мышьяк – донорная примесь, бор – акцепторная.

Даны термоэлементы с протеканием тока от металла к полупроводнику и наоборот. Объяснить, почему это происходит.

По условию, электронная и дырочная проводимость проходит в горячем спае. Это объясняется тем, что на конце электронного полупроводника с высокой температурой скорость электронов намного больше, чем в холодном. Отсюда следует, что электроны имеют возможность проходить от горячего конца к холодному до возникновения по причине перераспределения зарядов электрического поля и не останавливать поток диффундирующих электронов.

Только после установления равновесного состояния горячему концу, который потерял все электроны, соответствуют положительные заряды, а холодному – отрицательные. Можно сделать вывод, что имеется разность потенциалов между горячим и холодным концами с положительным знаком.

Дырочный полупроводник характеризуется обратным процессом. Диффузия идет от горячего конца к холодному, причем первый из них обладает отрицательным зарядом, а холодный – положительным. Получаем, что разности потенциалов имеют отрицательное значение, в отличие от электронного полупроводника.

Источник

Примесная проводимость полупроводников

Всего получено оценок: 133.

Всего получено оценок: 133.

Полупроводники – это вещества, имеющие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Особенностью полупроводников является возможность управления проводимостью, которая бывает собственная и примесная. Кратко познакомимся с определением примесной проводимости полупроводников.

Механизм проводимости полупроводника

В кристалле полупроводника каждый атом связан с четырьмя соседними атомами двухэлектронными ковалентными связями. При повышении температуры, в соответствии с формулами термодинамики, некоторые электроны в связях получают такую высокую энергию, что могут покинуть связь, и переместиться в пространство между другими атомами, становясь свободными. Такую проводимость называют электронной.

В связи, которую покинул этот электрон, оказывается «вакантное» место. Такая связь называется дыркой. Поскольку при приближении к атому электрон может продолжить движение по любой из четырех связей – дырка может быть занята другим электроном, при этом дырка образуется в другой связи – переместится в противоположном направлении. Получается, что дырка также может двигаться, перенося заряд. Такую проводимость называют дырочной.

Рис. 1. Электронная и дырочная проводимость полупроводника.

Примесная проводимость

Рассмотренные виды проводимости – это виды собственной проводимости полупроводника. Такая проводимость невелика, поскольку при повышении температуры происходят нарушения связей в кристалле, которые могут необратимо разрушить весь кристалл. Как правило, это происходит на температурах порядка 370-400K.

Для увеличения проводимости полупроводника можно поступить иначе – создать кристаллическую решетку, в которой будут сразу иметься готовые носители.

Для создания кристаллической решетки с большим числом носителей при выращивании кристалла полупроводника в него добавляют специальные вещества-примеси. Поэтому такая проводимость называется примесной.

Кристаллическую решетку с примесной проводимостью можно создать двумя способами.

Донорная проводимость

В четырехвалентном кремнии все электроны участвуют в создании ковалентных связей кристалла. Если некоторые атомы в кристалле будут пятивалентны, один электрон этих атомов не будет участвовать в связях. В результате он будет гораздо слабее связан со своим атомом, его подвижность будет выше даже без повышения температуры.

Примесная проводимость полупроводника, в которой пятивалентные атомы являются источником свободных электронов, называется донорной.

В качестве донорной примеси чаще всего используются пятивалентные либо мышьяк, либо сурьма.

Полупроводники, имеющие донорную примесную проводимость, называются полупроводниками n-типа.

Рис. 2. Донорная примесь полупроводника.

Акцепторная проводимость

Другой вариант примесной проводимости – добавление в кристалл трехвалентных атомов. В этом случае, одна из связей трехвалентного атома будет одноэлектронной. Образуется дырка, которая может заполняться электронами соседних атомов.

Примесная проводимость полупроводника, в которой трехвалентные атомы образуют дырки в кристалле, называется акцепторной.

В качестве акцепторной примеси чаще всего используются трехвалентные индий или галлий.

Полупроводники, имеющие акцепторную примесную проводимость, называются полупроводниками p-типа.

Рис. 3. Акцепторная примесь полупроводника.

Нередко в полупроводник добавляют примеси обоих типов. Общий тип проводимости такого кристалла определяется примесью, концентрация которой выше.

Что мы узнали?

Проводимость полупроводника определяется количеством свободных электронов и дырок (свободных мест). Для повышения проводимости используются примеси. Примесь пятивалентных атомов увеличивает концентрацию свободных электронов и называется донорной (n-типа). Примесь трехвалентных атомов увеличивает концентрацию дырок, и называется акцепторной (p-типа).

Источник

Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупроводниками. Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов (по сравнению со стехиометрическим составом), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т.д.) дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 10 6 раз.

В полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны; возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни утих примесей – донорными уровнями.

Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 22, а) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен от атома, т. е. стать свободным. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи; следовательно, в отличие от случая, рассмотренного ранее, дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.

С точки зрения зонной теории рассмотренный процесс можно представить следующим образом (рис. 22, б). Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ΔЕ_D = 0,013 эВ. Так как ΔЕ_D

Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 23, а). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона,одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнею атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т.е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избыточный же отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и по решетке перемещаться не может.

По зонной теории, введение трехвалентной примеси в решетку кремния приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровни А, не занятого электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии ΔЕ_А =0,08 эВ (рис. 23, 6). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами бора, теряют способность перемещаться по решетке кремния, т. е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

В отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами н дырками, примесная проводимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака: электронами — в случае донорной примеси, дырками — в случае акцепторной. Эти носители тока называются основными. Кроме основных носителей в полупроводнике имеются и неосновные носители: в полупроводниках n-типа – дырки, в полупроводниках р-типа – электроны.

Уровень Ферми в полупроводниках р-типа при 0 К располагается посередине между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем (рис.24, б). Сплошная кривая опять-таки показывает его смещение с температурой. При температурах, при которых примесные атомы оказываются полностью истощенными и увеличение концентрации носителей происходит за счет возбуждения собственных носителей, уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны, как в собственном полупроводнике.

Проводимость примесного полупроводника, как и проводимость любого проводника, определяется концентрацией носителей и их подвижностью. С изменением температуры подвижность носителей меняется по сравнительно слабому степенному закону, а концентрация носителей – по очень сильному экспоненциальному закону, поэтому зависимость проводимости примесных полупроводников от температуры определяется в основном температурной зависимостью концентрации носителей тока в нем. На рис. 25 дан примерный график зависимости lnγ от 1/Т для примесных полупроводников. Участок АВ описывает примесную проводимость полупроводника.

Рост примесной проводимости полупроводника с повышением температуры обусловлен в основном ростом концентрации примесных носителей. Участок ВС соответствует области истощения примесей (это подтверждают и эксперименты), участок СD описывает собственную проводимость полупроводника.

Источник