Введение в полупроводник атомов соответствующей примеси способствует: формула. Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках

Содержание

формула. Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках

Содержание:

  • 1 Кристаллическая решетка кремния
  • 2 Легирование полупроводников
  • 3 Что такое удельная электропроводимость
  • 4 Единицы проводимости
  • 5 Области применения электропроводимости растворов
  • 6 Температурный эффект, термокомпенсация
  • 7 В чем разница между сопротивлением и проводимостью?
  • 8 Единица измерения проводимости
  • 9 Общее сопротивление параллельной цепи
  • 10 Общая проводимость параллельной цепи
  • 11 Строение атомов полупроводников.
  • 12 Электропроводность полупроводника.
  • 13 Электронно-дырочная проводимость.
    • 13.1 Электронная проводимость.
    • 13.2 Дырочная проводимость.
  • 14 Свойства германия с примесями
    • 14.1 Влияние примесей на проводимость полупроводника

Кристаллическая решетка кремния

В обычном состоянии, атомы кремния образуют кристаллическую решетку. На внешней электронной оболочке атома находятся четыре электрона. С их помощью, устанавливается ковалентная связь с четырьмя соседними атомами. Каждый электрон в такой связи принадлежит двум атомам одновременно.

Таким образом, у каждого атома на внешней электронной оболочке находиться восемь электронов. В результате, поскольку последний уровень электронной оболочки оказывается завершенным, у атома очень трудно забрать его электроны и материал ведет себя как диэлектрик (не проводит электрический ток).

Легирование полупроводников

Для того чтобы повысить проводимость полупроводников, их специально загрязняют примесями – атомами химических элементов с другим значением валентности. Примеси с меньшим количеством валентных электронов, чем у полупроводника, называются акцепторами. Примеси с большей валентностью – донорами.

Сам этот процесс называется легированием полупроводников. Примерное соотношение — один атом примеси на миллион атомов полупроводника.

Что такое удельная электропроводимость

Удельная проводимость (или удельная электролитическая проводимость) определяется, как способность вещества проводить электрический ток. Это величина, обратная удельному сопротивлению.

При химическом очищении воды очень важно измерить удельную проводимость воды, зависящую от растворенных в воде ионных соединений.

Удельная проводимость легко может быть измерена электронными приборами. Широкий спектр соответствующего оборудования позволяет сейчас измерять проводимость практически любой воды, от сверхчистой (очень низкая проводимость) до насыщенной химическими соединениями (высокая проводимость).

Единицы проводимости

Основная единица измерения сопротивления — Ом. Удельная проводимость — величина обратная сопротивлению, она измеряется в Сименсах, ранее называвшихся mho. Применительно к сыпучим веществам удобнее говорить об особой проводимости, обычно называемой удельной проводимостью.

Удельная проводимость — это проводимость, измеренная между противоположными сторонами куба вещества со стороной 1 см. Единицей данного типа измерений является Сименс/см. При измерении проводимости воды чаще используются более точные мкС/см (микросименс) и мС/см (миллисименс).

Соответствующие единицы измерения сопротивления (или удельного сопротивления) — Ом/см, МегаОм/см и килоОм/см. При измерении сверхчистой воды чаще используют МегаОм/см, так как это дает более точные результаты. Сопротивление менее чистой воды, как например, водопроводной, измеряют в килоОм/см.

Большинство из нас, работая с практически чистой водой, используют единицы мкС/см и мС/см во время исследования воды с высокой концентрацией растворенных химических веществ. Использование удельной проводимости в данном приложении имеет преимущество почти прямой связи с примесями, особенно при низких концентрациях ионов, как, например, в системах охлаждения и бойлерах. Таким образом, рост удельной проводимости указывает на рост примесей, и можно установить критический уровень для контроля максимального уровня примесей.

Удельная проводимость некоторых растворов 1000 мг. в л.:

Состав мкСм/см @ 25 C° мСм/см
Бикарбонат натрия 870 0,87
Сульфат натрия 1300 1,30
Хлорид натрия 1990 1,99
Карбонат натрия 1600 1,60
Гидроксид натрия 5820 5,82
Гидроксид аммония 189 0,19
Соляная кислота 11000 11,10
Фтористоводородная кислота 2420 2,42
Азотная кислота 6380 6,38
Фосфорная кислота 2250 2,25
Серная кислота 6350 6,35

Области применения электропроводимости растворов

Измерения удельной проводимости широко используются при исследовании воды, используемой в промышленности, муниципальных и коммерческих учреждениях, больницах c помощью кондуктометров (портативных, лабораторных, карманных или промышленных). Пока индивидуальные ионы не могут быть определены это обычно не требуется, и удельная проводимость дает величину общих примесей.

Ниже мы приводим самые распространенные правила измерения:

Проводимость в мкС/см х 0.5 = T.D.S. (общее солесодержание) мг. в л. как у NaCl или

Проводимость в мкС/см х 0.75 = T.D.S. (общее солесодержание) мг. в л. как таковая

Главный недостаток измерений удельной проводимости это то, что они не специфичны, не дают возможности распознавания различных типов ионов. Вместо этого определяется пропорция общего эффекта присутствия всех имеющихся ионов и некоторых ионов, как NaOH, HCI, представленных в значительно большей степени.

См. «Удельная проводимость 1000 мг. в л. растворов» см. выше.
Второй недостаток соотнесения удельной проводимости к концентрации заключается в том, что концентрированные растворы показывают слегка заниженное число мкС/см на каждый мг. в л. в отличие от разреженных, как показано на графике ниже. Этот эффект основан на снижении скорости движения ионов при увеличении концентрации, что лежит в основе теории межионного притяжения.

Некоторые соединения могут снижать точность измерений, осаждаясь на датчике или щупе, например, карбонат кальция. В большинстве случаев эти трудности не превращаются в серьезные помехи и могут быть достигнуты достаточно точные результаты. В целом, измерение удельной проводимости — это быстрый, надежный и недорогой способ измерения количества ионных соединений в протоке. Как правило, при повторных измерениях разброс значений не превышает 1%.

Скорость движения ионов прямо пропорциональна температуре. Поэтому оптимальная температура во время измерения — 25 °C. См. ниже о влиянии температуры и автоматической температурной компенсации. Тест-измерители удельной проводимости и контроллеры широко используются в самых различных областях.

Температурный эффект, термокомпенсация

Удельная проводимость в водных растворах из-за движения ионов и постоянно возрастающей температуры противоположна удельной проводимости металлов, но приближается к показателям графита. Это обусловлено природой самих ионов и вязкостью воды. При низкой концентрации ионов (сверхчистая вода) ионизация воды позволяет определить часть проводящих ионов. Все эти процессы, а следовательно, и удельная проводимость существенно зависят от температуры.

Эта зависимость обычно выражается, как относительное изменение удельной проводимости на градус C при конкретной температуре, а в особых случаях, как процент на градус C°., называемый наклонением конкретного раствора. Сверхчистая вода имеет наибольшее наклонение в 5.2% на градус C°., в то время, как наклонение большей части водопроводной воды и воды в охлаждающих системах находится в диапазоне 1.8 — 2.0% на градус C°.

Концентрированные соленые растворы, кислоты и щелочные растворы имеют наклонение около 1.5% на градус C. Теперь очевидно, что небольшая разница в температуре незначительно изменяет удельную проводимость. По этой причине, чаще всего удельную проводимость относят к 25 C°.

К счастью, доступны температурные датчики с характеристиками, близкими к раствору, в исследовании которого мы заинтересованы, и с использованием дополнительных резисторов и электронных схем можно получить температурные кривые почти для любого раствора.

Температурный датчик используется как элемент регулировки электрической цепи, и значение проводимости автоматически приводится к эквивалентному значению при 25 C°.

Самые современные технологии используют микропроцессор и соответствующую таблицу, содержащую информацию о реакции раствора на температуру. Температура раствора измеряется, переводится в цифровой формат, затем сопоставляется с данными таблицы для получения точных значений.

В чем разница между сопротивлением и проводимостью?

Сопротивление, по определению, является мерой «трения», которое компонент представляет для прохождения через него тока. Сопротивление обозначается заглавной буквой «R» и измеряется в единицах «Ом». Однако мы также можем думать об этом электрическом свойстве с обратной ему точки зрения: насколько легко току течь через компонент, а не насколько трудно.

Если сопротивление – это термин, которое мы используем для обозначения меры того, насколько трудно току течь, то хорошим термином, чтобы выразить, насколько легко ток течет, будет проводимость. Математически проводимость – это величина, обратная сопротивлению:

[проводимость = frac{1}{сопротивление}]

Чем больше сопротивление, тем меньше проводимость; и наоборот.

Это должно быть интуитивно понятно, потому что сопротивление и проводимость – противоположные способы обозначения одного и того же важного электрического свойства.

Если сравнивать сопротивления двух компонентов и обнаружится, что компонент «A» имеет сопротивление вдвое меньше сопротивления компонента «B», то в качестве альтернативы мы могли бы выразить это соотношение, сказав, что компонент «A» в два раза более проводящий, чем компонент «B». Если компонент «A» имеет сопротивление, равное только одной трети от сопротивления компонента «B», то мы можем сказать, что он в три раза более проводящий, чем компонент «B», и так далее.

Единица измерения проводимости

В продолжение этой идеи были придуманы символ и единица измерения проводимости. Символ представляет собой заглавную букву «G», а единицей измерения был mho, что означает «ohm» (ом), написанное в обратном порядке (вы думали, что у электронщиков нет чувства юмора?).

Несмотря на свою уместность, единицы измерения mho в последующие годы были заменены единицей Сименс (сокращенно «См», или, в англоязычной литературе, «S»). Это решение об изменении названий единиц измерения напоминает изменение единицы измерения температуры в градусах стоградусной шкалы (degrees centigrade – от латинских слов «centum», т.е. «сто», и «gradus») на градусы Цельсия (degrees Celsius) или изменение единицы измерения частоты c.p.s. (циклов в секунду) в герцы. Если вы ищете здесь какой-то шаблон переименования, то Сименс, Цельсий и Герц – это фамилии известных ученых, имена которых, к сожалению, о природе единиц говорят нам меньше, чем их первоначальные обозначения.

Возвращаясь к нашему примеру с параллельной схемой, мы должны быть в состоянии увидеть, что несколько путей (ветвей) для тока уменьшают общее сопротивление всей цепи, поскольку ток может легче проходить через всю цепь из нескольких ветвей, чем через любую из них отдельно. Что касается сопротивления, дополнительные ветви приводят к меньшему общему значению (ток встречает меньшее сопротивление). Однако с точки зрения проводимости дополнительные ветви приводят к большему общему значению (ток протекает с большей проводимостью).

Общее сопротивление параллельной цепи

Общее сопротивление параллельной цепи меньше, чем любое из сопротивлений отдельных ветвей, потому что параллельные резисторы вместе «сопротивляются» меньше, чем по отдельности:

Рисунок 1 – Полное сопротивление параллельной цепи

Общая проводимость параллельной цепи

Общая проводимость параллельной цепи больше, чем проводимость любой из отдельных ветвей, потому что параллельные резисторы «проводят» вместе лучше, чем по отдельности:

Рисунок 2 – Полная проводимость параллельной цепи

Чтобы быть более точным, полная проводимость в параллельной цепи равна сумме отдельных проводимостей:

[G_{общ} = G_1 + G_2 + G_3 + G_4]

Если мы знаем, что проводимость – это не что иное, как математическая величина, обратная (1/x) сопротивлению, мы можем перевести каждый член приведенной выше формулы в сопротивление, подставив величину, обратную каждой соответствующей проводимости:

[frac{1}{R_{общ}} = frac{1}{R_{1}} + frac{1}{R_{2}} + frac{1}{R_{3}} + frac{1}{R_{4}}]

Решая приведенное выше уравнение для полного сопротивления (вместо значения, обратного общему сопротивлению), мы получим следующую формулу:

[R_{общ} = frac{1}{frac{1}{R_{1}} + frac{1}{R_{2}} + frac{1}{R_{3}} + frac{1}{R_{4}}}]

Итак, мы, наконец, пришли к нашей загадочной формуле сопротивления! Проводимость (G) редко используется в качестве практического параметра, поэтому при анализе параллельных цепей часто используется приведенная выше формула.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.

На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой. В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами. Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки.

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

Свойства германия с примесями

В настоящее время из полупроводниковых элементов наибольшее применение нашли германий и кремний. Германий является очень редким элементом: содержание его в земной коре составляет менее 7·10-4%. Исходным продуктом для получения чистого германия является двуокись германия (GеO2), восстанавливаемая в водороде.
Кремний, наоборот, — один из самых распространенных элементов в природе и запасы его неисчерпаемы. Однако получение чистого кремния затруднено из-за высокой температуры плавления (более 1400° С) и большой химической активности в жидком состоянии.

Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентный мышьяк или фосфор (донорную примесь), то примесные атомы займут в кристаллической решетке места отдельных атомов германия. При этом около каждого атома примеси остается один валентный электрон, не связанный с окружающими атомами германия.

При температуре, отличающейся от абсолютного нуля, этот электрон может покинуть атом примеси и стать свободным, причем возникновение свободных электронов не связано с появлением дырки. Для ионизации атома чистого германия необходима энергия 0,72 эв, тогда как для ионизации примесного атома требуется энергия 0,015 эв. Поэтому уже при комнатной температуре все свободные электроны донорной примеси находятся в зоне проводимости. Германий с донорной примесью называется германием n-типа. Если к нему приложить электрическое поле, то в полупроводнике появится ток.

При добавлении в четырехвалентный германий трехвалентного индия или галлия атом примеси, заняв место атома германия в кристаллической решетке, не будет иметь достаточного числа электронов для образования ковалентной связи. При температуре выше абсолютного нуля один из валентных электронов соседних атомов, получив достаточную энергию, заполнит недостающую связь. Примесный атом становится отрицательным ионом, а в том месте, откуда ушел электрон, образуется дырка. При этом свободный электрон не появляется, количество свободных электронов в зоне проводимости остается прежним. Для того чтобы электрон от атома германия перешел к атому примеси, ему надо сообщить энергию порядка 0,1 эв, в то время как для того, чтобы электрону от примесного атома перейти в зону проводимости, надо затратить энергию в 0,72 эв. При обычной комнатной температуре большинство электронов германия переходит к примесным атомам. Германий с акцепторной примесью называется германием р-типа.

В германии n-типа много свободных электронов, они рекомбинируют с дырками и уменьшают их количество; аналогично в германии р-типа много дырок, они рекомбинируют с электронами и уменьшают их количество.

Влияние примесей на проводимость полупроводника

Чистые полупроводники редко применяются в полупроводниковой технике. Обычно используются примесные полупроводники. Введение в полупроводник атомов соответствующей примеси способствует образованию дополнительных носителей тока, что приводит к повышению электропроводности иногда в десятки миллионов раз. В чистом  полупроводнике «поставщиком» электронов в зону проводимости может быть валентная зона. Введение примесей в полупроводник должно  способствовать переходу электронов в зону проводимости.

Существуют два вида примесей. В примесях первого вида энергетические уровни электронов примеси располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи зоны проводимости.   Поэтому атомы примеси, являясь поставщиками электронов в зону проводимости, легко отдают в нее электроны, поскольку электронам при этом следует сробщить меньшую энергию ∆Е1, а не ∆Е, как в полупроводнике без примеси. Примесные уровни при температуре выше абсолютного нуля отдают свои электроны в зону проводимости тем интенсивнее, чем выше температура полупроводника. Примесные уровни такого вида называются донорными уровнями, а сами примеси — донорами (donarе — дарить, лат.).

Примесные уровни второго вида называются акцепторными, а сами примеси — акцепторами. Акцепторные уровни располагаются около валентной зоны. При абсолютном нуле температуры акцепторные уровни свободны, т. е. не заполнены. Поэтому при температуре, отличной от абсолютного нуля, на такие уровни могут перейти электроны из валентной зоны, и так как ∆Е2 < ∆Е, то число этих электронов будет больше, чем количество электронов, переходящих в зону проводимости. Уход электронов из валентной зоны дает возможность оставшимся здесь электронам, при наличии постороннего электрического поля, принять участие в проводимости в пределах этой зоны. При этом, как указывалось выше, дырки будут двигаться в направлении действия электрического поля.

Таким образом, электропроводность полупроводника можно увеличить путем введения донорной примеси (за счет возрастания электронов в зоне проводимости) либо путем введения акцепторной примеси (за счет возрастания числа дырок в валентной зоне).

Источники

  • http://hightolow.ru/semiconductors3.php
  • https://www.ecoinstrument.ru/service/public/izmerenie_elektroliticheskoy_provodimosti/
  • https://radioprog.ru/post/990
  • https://sesaga.ru/poluprovodniki-struktura-poluprovodnikov-tipy-provodimosti-i-vozniknovenie-toka-v-poluprovodnikax.html
  • https://www.elel.ru/provodimost.html

[свернуть]

Тесты по электронике и микропроцессорной техники с ответами

1. Тест. Твердое тело принято считать полупроводником, если разность энергий между нижним уровнем зоны проводимости и верхнем уровнем валентной зоны:

Равна 3

Меньше 3

Больше 3

2. Незанятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне, обладающее положительным зарядом, называется:

Полем

Дыркой

Ионом

3. В результате перемещения электронов проводимости образуется

Дырочная проводимость

Переменная проводимость

Электронная проводимость

4. Как зависит ток термоэлектронной эмиссии от температуры нагрева катода и работы выхода?

Увеличивается

Уменьшается.

Не изменяется.

5. В результате перемещения дырок проводимости образуется:

Дырочная проводимость

Переменная проводимость.

Электронная проводимость

6. Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентный мышьяк, то такая примесь будет называться:

Акцепторной

Примесной

Донорной

7. Введение в полупроводник атомов соответствующей примеси способствует

Повышению электропроводности

Понижению электропроводности

Электропроводность не изменяется

8. Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n–типа, а другая p–типа называется…

Электронный переход

p-n переход

Полупроводниковый переход

9. Можно ли получить p-n переход простым соприкосновением разных полупроводниковых тел?

Нет

Да

Иногда

10. Диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный называется…

Плоскостный диод.

Выпрямительный диод.

Туннельный диод.

11. Один p-n-переход и 2 омических контакта

Полупроводниковый диод

Выпрямительный диод

Плоскостный диод

12. Полупроводниковые диоды, работающие в режиме электрического пробоя:

Импульсный диод

Стабилитрон

Точечный диод

Тесты по электронике с ответами.

13. Плоский электрический переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше ширины р-n-перехода:

Плоскостный диод

Стабилитрон

Точечный диод.

Тест — 14. Полупроводниковый прибор с двумя переходами и тремя и более выводами называется…

Диод

Триод

Биполярный транзистор

15. Не существует схемы включения биполярного транзистора.

С общим эмитером

С общей базой

С общим калибратором

16. Выход электронов за пределы поверхности вещества под действием излучения называется…

Внешний фотоэффект

Внутренний фотоэффект

Принудительный фотоэффект

17. При каких условиях усилитель превращается в автогенератор:

При положительной обратной связи

При отрицательной обратной связи

При обратной связи равной 1

18. В каких единицах измеряются основные параметры усилителей?

В вольтах

В амперах

В децибелах

19. Электронное устройство, с помощью которого осуществляется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока различной формы называется:

Усилителем постоянного тока

Выпрямителем переменного тока

Генератором электрических колебаний

20. Что такое триггер?

Импульсное устройство, имеющее два стойких состояния, в которых он может пребывать как угодно долго

Устройство, имеющее два стойких состояния, в которых он может пребывать как угодно долго

Импульсное устройство, имеющее два стойких состояния

21. Имеет один информационный вход, один вход синхронизации и два выхода: прямой и инверсный, также называется триггер с задержкой.

D-триггер

RS-триггер

T — триггер

22. Цифровые устройства, построенные на основе триггеров и предназначенные для уменьшения частоты импульсов в целое количество раз, называются:

Делители частоты

Сумматоры

Регистры

23. Регистр это —

Число или символ, участвующие в машинной операции

Электронная схема для временного хранения двоичной информации (машинного слова)

Устройство выполняющее по командам несколько простейших операций

24. Число 22 в двоичной системе счисления:

10010

10101

10110

25. Реализует логическую операцию умножения…

Логический элемент ИЛИ

Логический элемент И

Логический элемент НЕ

26. Краткосрочное отклонение физического процесса от установленного значения называется…

Сигнал

Информативность

Импульс

27. Устройство предназначенное для открытия или закрытия канала, передающего энергию называется…

Коммутатор

Ключевой элемент

Дешифратор

28. Активными элементами называются…

Элементы, содержащие внутренние источники энергии

Элементы, в которых внутренние источники энергии отсутствуют

Элементы, вырабатывающие электрическую энергию

29. Ключ, имеющий нулевое сопротивление в замкнутом состоянии и бесконечно большое сопротивление в разомкнутом состоянии называется…

Усилительный

Реальный

Идеальный

30. Тест. Устройство, предназначенное для сложения двоичных чисел называется…

Мультиплексор

Коммутатор

Сумматор

Вопросы и ответы тестов




1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

120

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

                                                           

2

2

3

1

1

3

1

2

1

2

1

2

1

3

3

1

2

3

3

1

1

1

2

3

2

3

3

1

3

3

9.

6 Полупроводники и легирование – University Physics Volume 3

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Описывать изменения в энергетической структуре полупроводника, вызванные легированием
  • Различают полупроводники n-типа и p-типа
  • Опишите эффект Холла и объясните его значение
  • Рассчитать заряд, скорость дрейфа и плотность носителей заряда полупроводника, используя информацию из эксперимента по эффекту Холла

В предыдущем разделе мы рассмотрели только вклад в электрический ток, обусловленный электронами, занимающими состояния в зоне проводимости. Однако перемещение электрона из валентной зоны в зону проводимости оставляет незанятое состояние или дыру в энергетической структуре валентной зоны, в которую может переместиться соседний электрон. Когда эти дырки заполняются другими электронами, создаются новые дырки. Электрический ток, связанный с этим наполнением, можно рассматривать как коллективное движение множества отрицательно заряженных электронов или движение положительно заряженных электронных дырок.

Для иллюстрации рассмотрим одномерную решетку на рис. 9.18. Предположим, что каждый атом решетки вносит в ток один валентный электрон. Когда отверстие справа заполнено, это отверстие перемещается влево. Ток можно интерпретировать как поток положительного заряда влево. Плотность отверстий, или количество отверстий на единицу объема, представлена ​​как p . Каждый электрон, переходящий в зону проводимости, оставляет после себя дырку. Если изначально зона проводимости пуста, плотность электронов проводимости p равно плотности дырок, то есть n=pn=p.

Рисунок
9.18

Движение дырок в кристаллической решетке. Когда электроны смещаются вправо, электронная дырка перемещается влево.

Как уже упоминалось, полупроводник представляет собой материал с заполненной валентной зоной, незаполненной зоной проводимости и относительно небольшой энергетической щелью между зонами. Избыточные электроны или дырки могут быть введены в материал путем замещения в кристаллической решетке примесного атома, являющегося атомом с несколько другим числом валентности. Этот процесс известен как легирование. Например, предположим, что мы добавили атом мышьяка в кристалл кремния (рис. 9)..19(а)).

Рисунок
9.19

(а) донорная примесь и (б) акцепторная примесь. Введение в полупроводник примесей и акцепторов существенно изменяет электронные свойства этого материала.

У мышьяка пять валентных электронов, тогда как у кремния только четыре. Следовательно, этот лишний электрон должен уйти в зону проводимости, поскольку в валентной зоне для него нет места. Оставшийся ион мышьяка имеет суммарный положительный заряд, который слабо связывает делокализованный электрон. Связь слабая, потому что окружающая атомная решетка экранирует электрическое поле иона. В результате энергия связи дополнительного электрона составляет всего около 0,02 эВ. Другими словами, уровень энергии примесного электрона находится в запрещенной зоне ниже зоны проводимости на 0,02 эВ, что значительно меньше энергии щели, равной 1,14 эВ. При комнатной температуре этот примесный электрон легко переходит в зону проводимости и, следовательно, вносит вклад в проводимость (рис. 9)..20(а)). Примесь с дополнительным электроном известна как донорная примесь, а легированный полупроводник называется полупроводником типа n , потому что первичные носители заряда (электроны) отрицательны.

Добавив больше донорных примесей, мы можем создать примесную зону, новую энергетическую зону, созданную легированием полупроводников, как показано на рис. 9.20(b). Теперь уровень Ферми находится между этой зоной и зоной проводимости. При комнатной температуре многие примесные электроны термически возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость. В этом случае проводимость может происходить и в примесной зоне, поскольку там создаются вакансии. Обратите внимание, что изменения энергии электрона соответствуют изменению движения (скорости или кинетической энергии) этих носителей заряда с полупроводником, но не объемному движению самого полупроводника.

Легирование также может быть выполнено с использованием примесных атомов, которые обычно имеют на меньше валентных электронов, чем атомы полупроводника. Например, Al, имеющий три валентных электрона, может заменить Si, как показано на рис. 9.19(b). Такая примесь известна как акцепторная примесь, а легированный полупроводник называется полупроводником типа p , поскольку первичные носители заряда (дырки) положительны. Если рассматривать дырку как положительную частицу, слабо связанную с примесным узлом, то в запрещенной зоне сразу над валентной зоной создается пустое электронное состояние. При заполнении этого состояния электроном, термически возбужденным из валентной зоны (рис. 9.21(а)), в валентной зоне создается подвижная дырка. Добавляя больше акцепторных примесей, мы можем создать примесную полосу, как показано на рис. 9.21(b).

Рисунок
9.21

а) электрон из зоны проводимости возбуждается в пустое состояние из-за акцепторной примеси; б) формирование примесной зоны в полупроводнике типа р .

Электрический ток в легированном полупроводнике может быть обусловлен движением основного носителя, в котором дырки вносятся атомом примеси, или неосновным носителем, в котором дырки вносятся исключительно тепловыми возбуждениями электронов поперек энергетический разрыв. В 9В полупроводнике типа 0019 n основными носителями являются свободные электроны, вносимые атомами примеси, а неосновными носителями являются свободные дырки, оставшиеся в результате заполнения состояний из-за теплового возбуждения электронов поперек щели. В полупроводнике типа р основными носителями являются свободные электроны, образованные тепловыми возбуждениями из валентной зоны в зону проводимости. В целом, количество мажоритарных перевозчиков значительно превышает количество мажоритарных перевозчиков. Концепция основных и неосновных носителей будет использоваться в следующем разделе для объяснения работы диодов и транзисторов.

При изучении легирования p — и n -типа естественно задаться вопросом: действительно ли «электронные дырки» ведут себя как частицы? Существование дырок в легированном полупроводнике типа p демонстрирует эффект Холла. Эффект Холла — это создание разности потенциалов из-за движения проводника через внешнее магнитное поле (см. Эффект Холла). Схема эффекта Холла показана на рис. 9.22 (а). Полупроводниковая полоска находится в однородном магнитном поле (которое указывает на бумагу). Когда электронные дырки движутся через полупроводник слева направо, сила Лоренца отталкивает эти заряды к верхнему концу полоски. (Напомним, что движение положительно заряженных носителей определяется правилом правой руки.) Положительный заряд продолжает накапливаться на верхнем краю полоски до тех пор, пока сила, связанная с направленным вниз электрическим полем между верхним и нижним краями полоски (FE=Eq)(FE=Eq) просто уравновешивает направленную вверх магнитную силу (FB=qvB)(FB=qvB). Приравнивая эти силы друг к другу, мы имеем E=vBE=vB. Таким образом, напряжение, возникающее на полосе, равно

VH=vBw, VH=vBw,

9,33

, где VHVH — напряжение Холла; v — скорость дрейфа дырки, или средняя скорость частицы, движущейся частично случайным образом; B – напряженность магнитного поля; а w — ширина полосы. Обратите внимание, что напряжение Холла поперечно напряжению, которое первоначально создает ток через материал. Измерение знака этого напряжения (или разности потенциалов) подтверждает наличие отверстий на верхней стороне полоски. Величина напряжения Холла дает скорость дрейфа ( v ) большинства операторов связи.

Дополнительную информацию можно также извлечь из напряжения Холла. Обратите внимание, что плотность электронного тока (величина тока на единицу площади поперечного сечения полупроводниковой полосы) равна

j=nqv,j=nqv,

9,34

, где q — величина заряда, n — число носителей заряда в единице объема, v — скорость дрейфа. Плотность тока легко определить, разделив общий ток на площадь поперечного сечения полосы, q — это заряд дырки (величина заряда отдельного электрона), а u определяется уравнением эффекта Холла (9. 34). Следовательно, приведенное выше выражение для плотности электронного тока дает число носителей заряда в единице объема, n . Аналогичный анализ можно провести для отрицательно заряженных носителей в материале типа n (см. рис. 9.22).

Рисунок
9.22

Эффект Холла. (а) Положительно заряженные электронные дырки притягиваются влево однородным магнитным полем, направленным вниз. Электрическое поле создается справа. (b) Отрицательно заряженные электроны притягиваются влево магнитным полем, направленным вверх. Слева создается электрическое поле.

Внешние полупроводники — технические библиотеки LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    360

    • Полупроводники — это материалы, обладающие уникальной способностью контролировать поток своих носителей заряда, что делает их ценными в таких приложениях, как сотовые телефоны, компьютеры и телевизоры. Внешний полупроводник — это материал, в кристаллическую решетку которого введены примеси. Целью этих примесей является изменение электрических свойств материала, в частности (повышение) его проводимости. Сегодня внешние полупроводники являются частью инновационных современных технологических устройств (включая эффективное твердотельное освещение и возобновляемые источники энергии), таких как светоизлучающие диоды, солнечные элементы, лазеры и транзисторы.

    Введение

    Внешние полупроводники — это просто собственные полупроводники, легированные примесными атомами (в данном случае одномерными дефектами замещения). Легирование — это процесс, при котором полупроводники увеличивают свою электропроводность за счет введения атомов различных элементов в свою решетку. Легирование полупроводника может осуществляться методом газофазной эпитаксии, при котором некоторая концентрация примесей в их газовой фазе контактирует с полупроводниковой пластиной, либо путем выращивания на самой пластине с помощью фотолитографии (микрообработки участков пластины), диффузии ( градиентное контролируемое движение частиц) и ионная имплантация (с использованием электрического поля для контакта иона с твердым телом) для увеличения концентрации легирующей примеси в определенных частях пластины. В зависимости от того, являются ли добавленные примеси донорами или акцепторами электронов, уровень Ферми полупроводника (энергетическое состояние, ниже которого все допустимые энергетические состояния заполнены, а выше которого все состояния пусты, когда температура приближается к 0 Кельвина) может перемещаться вверх или вниз. от своего исходного положения в центре запрещенной зоны (зазор между валентной зоной и зоной проводимости полупроводника).

    Если полупроводниковый материал легирован атомами, которые могут отдавать электроны, он известен как полупроводник n-типа, который использует эти отданные электроны для увеличения своей проводимости. Если он легирован атомами, которые могут принимать электроны, он известен как полупроводник p-типа, который использует отсутствие электронов в решетке, называемых дырками (также можно рассматривать как положительные заряды), для увеличения его проводимости. . Помимо зависимости от концентрации примесей, полупроводники как n-типа, так и p-типа зависят от изменений температуры, особенно их электропроводности, подвижности носителей (насколько свободно может двигаться носитель заряда) и даже уровней Ферми. Подвижности основаны на двух различных эффектах рассеяния, зависящих от температуры, называемых рассеянием на решетке и рассеянием на ионизированных примесях. Решеточное рассеяние, преобладающее при более высоких температурах, основано на тепловых колебаниях атомов полупроводника, которые действуют как препятствия для подвижных носителей заряда. Рассеяние на ионизированных примесях, преобладающее при более низких температурах, зависит от количества ионов легирующей примеси, которые все ведут себя как рассеивающие центры, и их способности препятствовать перемещению носителей заряда на разные энергетические уровни из-за электростатического притяжения между ионом и носителем, известного как кулоновское притяжение. Закон, описанный как 92 \label{2}\]

    , где n — концентрация электронов, p — концентрация дырок и \(n_i\) — концентрация собственных носителей (концентрация, если бы полупроводник не был легирован).

    Полупроводники N-типа

    Полупроводник n-типа — это полупроводник, в кристаллическую решетку которого нанесены донорные примеси. Здесь электроны называются основными носителями, а дырки — неосновными носителями. Одним из наиболее распространенных примеров этого является кремний или германий из группы IV в периодической таблице, легированные атомами фосфора или мышьяка (из группы V), каждый из которых имеет один дополнительный валентный электрон на атом. Атом легирующей примеси может войти в решетку, заменить один атом Si, будучи связанным с четырьмя другими (ковалентная связь), и высвободить свой лишний, слабо связанный валентный электрон в решетку Si. 9-19 кулонов), \(\mu_n\) и \(\mu_p\) — подвижности электронов и дырок соответственно, а n(T) и p(T) — концентрации электронов в зоне проводимости или дырки в валентной зоне. Как подвижность, так и две концентрационные переменные зависят от температуры, однако на данный момент считаем температуру постоянной около комнатной температуры. Для всех практических целей в полупроводнике n-типа при комнатной температуре член проводимости от концентрации дырок пренебрежимо мал, потому что обычно \(N_D\) >> \(n_i\), где \(N_D\) — концентрация донорных примесей , все электроны которого находятся в зоне проводимости при 300 К, а \(n_i\) — собственная концентрация носителей полупроводника. 2}{N_D}\), что позволяет пренебречь ею.

    После введения в полупроводник донорные примеси способны образовывать донорный уровень в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости, где раньше не было существующих состояний, потому что теперь это энергетически выгодно. Это означает, что отданным электронам потребуется гораздо меньшее увеличение энергии для возбуждения в зону проводимости, где свободно текущие электроны могут увеличить проводимость. Следовательно, по мере увеличения легирования увеличивается и проводимость полупроводника n-типа (больше донорных состояний означает больше отданных свободных электронов, которые могут быть переведены в зону проводимости).

    Рисунок \(\PageIndex{1}\): Подробная схема полупроводника n-типа при температуре 300 K.

    Рисунок \(\PageIndex{1}\) показывает поведение легированного донором полупроводника при комнатной температуре. Ec представляет собой зону проводимости, Ev представляет собой валентную зону, \(E_D\) показывает донорный уровень (содержащий неподвижные донорные ионы), а \(E_F\) представляет собой уровень Ферми. Черные кружки — это электроны, а белые квадраты — пустые, неподвижные донорные состояния (поскольку все донорные электроны могут продвигаться в зону проводимости при комнатной температуре), которые не влияют на проводимость. Электроны ниже Ev показаны только для того, чтобы указать, что в валентной зоне все еще есть много собственных носителей, которые еще не переведены в зону проводимости (хотя до сих пор минимальное количество собственных носителей было переведено из валентной зоны) . В валентной зоне имеется минимальная концентрация дырок, но она не показана на рисунке 1, в основном для того, чтобы проиллюстрировать большее значение электронов в полупроводниках n-типа. Учитывая, что уровень Ферми определяется как состояния, ниже которых все допустимые энергетические состояния заполнены, а все состояния выше пусты при температуре, приближающейся к 0 Кельвина, имеет смысл, что \(E_F\) будет увеличиваться от середины запрещенной зоны внутреннее положение из-за донорного уровня вблизи зоны проводимости (заполненные состояния — это те, которые заняты электронами). Другой способ думать об этом состоит в том, что большая часть плотности энергетических состояний должна содержаться под уровнем Ферми (при 0 Кельвина уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны, но донорные примеси еще не рассматриваются как энергетические состояния. , поскольку всякое движение прекращается). Глядя на уравнение для уровня Ферми (сейчас игнорируя зависимость от температуры, поскольку она постоянна), мы подтверждаем это, так как \[E_F = kTln(\dfrac{N_D}{n_i}) — E_i\]. где \(E_i\) — уровень энергии в середине запрещенной зоны. При прочих равных условиях увеличение концентрации доноров увеличивает уровень Ферми, а это означает, что электронам легче достичь зоны проводимости. 9-34 Дж*сек).

    Полупроводники p-типа

    Полупроводники p-типа — это полупроводники, в кристаллическую решетку которых вложены акцепторные примеси. Здесь дырки называются основными носителями, а электроны — неосновными носителями. Одним из наиболее распространенных примеров этого является кремний или германий из группы IV в периодической таблице, легированные атомами бора или галлия (из группы III), оба из которых имеют на один валентный электрон меньше на атом. Атом легирующей примеси способен войти в решетку, заменить один атом Si, будучи связанным с четырьмя другими, и принять электрон от соседнего атома в свою ковалентную связь. Вот как отсутствие электрона или дырки перемещается через валентную зону материала, делая его проводящим (один и тот же процесс замены дырки электроном, перемещение дырки в другое место в решетке продолжает повторяться).

    Как упоминалось ранее, основной причиной введения примесей в полупроводниковую пластину является увеличение ее проводимости, которая составляет

    \[\sigma = q\mu_n n(T) + q\mu_p p(T) \label{3 }\]

    где q — заряд электрона, \(\mu_n\) и \(\mu_p\) — подвижности электрона и дырки соответственно, а n(T) и p(T) — концентрации электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне. Как подвижность, так и две концентрационные переменные зависят от температуры, однако на данный момент считаем температуру постоянной около комнатной температуры. 2}{N_A}\), что позволяет ей пренебречь.

    После введения в полупроводник акцепторные примеси способны образовывать акцепторный уровень в запрещенной зоне вблизи валентной зоны, где раньше не было существующих состояний, потому что теперь это энергетически выгодно. Это означает, что электроны в валентной зоне могут быть возбуждены на этот акцепторный уровень в запрещенной зоне (в отличие от зоны проводимости) для завершения ковалентной связи. Этот процесс оставляет после себя свободные дырки, которые могут распространяться через валентную зону, где они могут увеличить проводимость. Следовательно, по мере увеличения легирования увеличивается и проводимость полупроводника p-типа (чем больше акцепторных состояний, тем больше свободных дырок, способных проникать через валентную зону).

    Рис. 2. Детальная диаграмма полупроводника p-типа при 300 K.

    На рис. 2 показано поведение полупроводника, легированного акцептором, при комнатной температуре. Ec представляет собой зону проводимости, Ev представляет собой валентную зону, \(E_A\) показывает акцепторный уровень (содержащий неподвижные акцепторные ионы), а \(E_F\) представляет собой уровень Ферми. Черные кружки — это электроны, а черные квадраты — пустые (богатые электронами, но лишенные дырок), неподвижные акцепторные состояния (поскольку все дырки акцепторных ионов способны проникать через валентную зону при комнатной температуре), которые не влияют на проводимость. . Белые кружки — это дырки, образовавшиеся из-за того, что акцепторным примесям требуются электроны для завершения их ковалентной связи. На картинке в валентной зоне больше дырок, чем электронов, потому что дырки являются основными носителями. Электроны выше Ev показаны только для того, чтобы указать, что существуют носители, которые существуют в зоне проводимости, которые были повышены из валентной зоны (хотя минимальное количество было повышено из валентной зоны). Учитывая, что уровень Ферми определяется как состояния, ниже которых все допустимые энергетические состояния заполнены, а все состояния выше пусты при температуре, приближающейся к 0 Кельвина, имеет смысл, что \(E_F\) будет уменьшаться от середины запрещенной зоны внутреннее положение из-за акцепторного уровня вблизи валентной зоны («заполненные» состояния заняты электронами). Другой способ думать об этом состоит в том, что большая часть плотности энергетических состояний должна содержаться под уровнем Ферми (при 0 Кельвина уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны, а акцепторные легирующие примеси в любом случае не рассматриваются как энергетические состояния. поскольку все движение прекращается и пока нет мобильных электронов, есть только дырки) Сдвиг вниз уровня Ферми подчеркивает тот факт, что полупроводники p-типа подчеркивают проводимость дырок в валентной зоне, а не проводимость электронов в зоне проводимости, что означает, что количество электронов выше \(E_F\) минимально. Глядя на уравнение для уровня Ферми (сейчас игнорируя температурную зависимость, поскольку она постоянна), мы подтверждаем это, поскольку

    \[E_F = -kT\ ln \left(\dfrac{N_D}{n_i} \right) + E_i. \label{4}\]

    где \(E_i\) — уровень энергии в середине запрещенной зоны. При прочих равных условиях увеличение концентрации акцепторов снижает уровень Ферми, а это означает, что дыркам легче достичь валентной зоны.

    С этого момента самым важным расчетом (помимо проводимости), который может привести к созданию инновационных универсальных устройств, является определение концентрации дырок в валентной зоне. При комнатной температуре эта концентрация просто \(N_A\), но в целом она равна 9*\) — эффективная масса дырки, ч — постоянная Планка.

    Температурная зависимость

    Прежде чем исследовать температурную зависимость электропроводности, подвижности носителей (с рассеянием на решетке и на ионизированных примесях) и уровней Ферми, необходимо рассмотреть зависимость рассеяния на ионизированных примесях от легирования.

    Обычно рассеяние снижает подвижность электронов носителей заряда, действуя как препятствия. Другими словами, носители заряда не могут легко течь по всему материалу. Рассеяние на ионизированных примесях происходит, когда в решетке присутствует много донорных или акцепторных примесей. По мере увеличения легирования каждый добавленный донорный или акцепторный уровень можно рассматривать как дополнительный «рассеивающий центр», добавленный к решетке, еще одно препятствие, которое может препятствовать движению носителей заряда. Этот тип рассеяния не зависит от каких-либо тепловых колебаний, а скорее использует тот факт, что у носителей недостаточно энергии для перехода на какие-либо другие энергетические уровни. Это означает, что для полупроводников n-типа ионизированные атомы-доноры, положительные ионы, способны вызывать электростатическое притяжение с отданными электронами, в то время как в полупроводниках p-типа ионизированные атомы-акцепторы (отрицательные ионы) вызывают электростатическое притяжение с дырками. создается в решетке. Барьеры Carrier Energy не являются проблемой, когда тепловая энергия является основным фактором. Это означает, что как для проводников n-, так и для p-типа рассеяние на ионизированных примесях преобладает при более низких температурах, и его эффекты постепенно уменьшаются с повышением температуры.

    Рисунок 3 : . Температурная зависимость концентрации основных носителей в полупроводнике.

    На рис. 3 четко показаны фазы, через которые проходят основные носители примесных полупроводников при нагреве при неизменном количестве примесей. Для полупроводника n-типа начало области замораживания представляет собой область, где донорные ионы расположены на донорном уровне, но свободные электроны не могут двигаться из-за температуры 0 Кельвина. По мере повышения температуры в синем режиме некоторые из донорных электронов возбуждаются в зону проводимости, в то время как другие все еще задерживаются из-за рассеяния на ионизированных примесях, что снижает общую подвижность электронов. По мере того, как температура начинает увеличиваться в направлении внешней области, эффект рассеяния на ионизированных примесях медленно исчезает, увеличивая подвижность электронов, и количество электронов, продвигаемых с донорного уровня в зону проводимости, увеличивается еще больше. В этот момент минимальное количество собственных электронов продвигается из валентной зоны (однако это все еще считается незначительным эффектом). Поскольку проводимость напрямую зависит от подвижности электронов и концентрации электронов в зоне проводимости, которая увеличивается с ростом температуры по уравнению в конце раздела N-Type Semiconductor, проводимость также увеличивается. В зеленом режиме все электроны донорного уровня возбуждаются в зону проводимости, и ни один из эффектов рассеяния не проявляется, что означает, что проводимость увеличивается еще больше. Между тем, еще несколько собственных электронов из валентной зоны продвигаются в зону проводимости, но это все еще незначительно по сравнению с концентрацией донорских электронов, уже находящихся в или выше \(E_V\). По мере того, как температура переходит во внутреннюю область, собственные электроны из валентной зоны возбуждаются в зону проводимости с большей скоростью (оставляя после себя эквивалентное количество дырок в валентной зоне), и проводимость продолжает увеличиваться. Однако в этом случае активируется механизм рассеяния на решетке. Это означает, что атомы полупроводников в решетке испытывают тепловые колебания, которые действуют как препятствия для движущихся электронов, вызывая уменьшение подвижности (поскольку концентрация электронов более важна, проводимость все равно увеличивается, даже когда подвижность начинает уменьшаться). В красном режиме электроны из валентной зоны продвигаются в зону проводимости и создают дырки в валентной зоне. По мере того как это продолжается, полупроводник n-типа по существу становится собственным полупроводником со всеми собственными электронами в зоне проводимости и эквивалентным количеством дырок, оставшихся в валентной зоне. Рассеяние на решетке максимально из-за тепловых колебаний, а это означает, что подвижность электронов еще больше снижается. Однако проводимость максимальна, потому что, хотя электронам труднее двигаться через материал, их гораздо больше при более высоких температурах.

    Во всем этом процессе наиболее сложной для понимания концепцией является уровень Ферми, который лучше всего описывается словами, а не уравнениями для изменения температуры. В начальной синей области уровень Ферми все еще находится в середине запрещенной зоны, потому что все движения останавливаются и нет плотности состояний, которые даже существуют. Через синюю область к точке, где материал ведет себя как полупроводник n-типа, уровень Ферми перемещается вверх к точке, где под ним находится большинство состояний (уровень Ферми между зоной проводимости и уровнем донора). Однако по мере того, как больше собственных электронов начинает добавлять к проводимости в красном режиме рисунка, уровень Ферми начинает двигаться вниз ближе к середине запрещенной зоны, напоминая собственный полупроводник.

    Для полупроводников p-типа тенденции проводимости и подвижности соответствуют тенденциям для полупроводников n-типа согласно рисунку 3. По мере повышения температуры эффекты рассеяния на ионизированных примесях уменьшаются (увеличивается подвижность), потому что дырки получают достаточно энергии, чтобы двигаться к валентной зоне и электроны из валентной зоны занимают акцепторные состояния для завершения ковалентных связей, что увеличивает проводимость дырок. Подвижность дырок еще больше возрастает во внешней области, потому что рассеяние на ионизованных примесях исчезает, а рассеяние на решетке еще не активировано. При этом все акцепторные состояния лишены дырок, а значит, проводимость по всей валентной зоне еще больше возрастает. В этот момент есть несколько собственных электронов (все еще незначительный эффект), которые возбуждаются в зону проводимости. По мере того, как температура увеличивается в собственной области, больше собственных электронов продвигается в зону проводимости, но снова активируется механизм рассеяния решетки, когда атомы полупроводника начинают вибрировать из-за увеличения тепловой энергии, что препятствует движению всего заряда. носителей, вызывая снижение обеих подвижностей. Однако, поскольку проводимость в большей степени определяется концентрацией носителей (которая увеличивается с повышением температуры), она продолжает увеличиваться. Благодаря красному режиму больше собственных электронов в валентной зоне возбуждаются в зону проводимости с большей скоростью, оставляя после себя больше дырок. По мере того как это продолжается, полупроводник p-типа постепенно становится собственным полупроводником со всеми собственными электронами, которые продвигаются вперед, оставляя после себя еще больше дырок. Рассеяние решетки находится в высшей точке из всех тепловых колебаний (подвижности электронов и дырок еще больше уменьшаются). Однако проводимость находится на максимальном уровне, потому что, хотя оба носителя заряда испытывают многократное рассеяние, существует гораздо больше дырок и электронов, которые проводят в своих соответствующих зонах при более высоких температурах.

    Опять же, в этом процессе наиболее сложной концепцией для понимания является уровень Ферми (лучше всего описывать словесно, а не математически для изменения температуры). В начальной синей области уровень Ферми все еще находится в середине запрещенной зоны, потому что все движения останавливаются и нет плотности состояний, которые даже существуют. Через синюю область к точке, где материал ведет себя как полупроводник p-типа, уровень Ферми опускается к точке, где под ним находится большинство состояний (уровень Ферми между валентной зоной и уровнем акцептора). Однако по мере того, как больше собственных электронов начинает увеличивать проводимость в красном режиме рисунка, уровень Ферми начинает двигаться вверх ближе к середине запрещенной зоны, напоминая собственный полупроводник.

    Вопросы

    1. В чем основная разница между полупроводниками n-типа и p-типа?
    2. Назовите и опишите разницу между двумя разными типами рассеяния.
    3. Каковы три области/поведения, зависящие от температуры, для внешнего полупроводника?

    Ответы

    1. Полупроводник n-типа был легирован примесными атомами, которые содержат на один электрон больше на атом, что позволяет им отдавать электроны, которые могут проводить в зоне проводимости. Полупроводник p-типа был легирован примесными атомами, которые содержат на один электрон меньше на атом, что позволяет им принимать электроны и проводить «недостаток» электронов или дырок в валентной зоне.
    2. Рассеяние на решетке происходит при более высоких температурах, потому что оно связано с активацией тепловых колебаний, которые препятствуют движению носителей заряда, что снижает общую подвижность носителей. При понижении температуры тепловые колебания уменьшаются, и рассеяние на решетке теряет свое влияние. Рассеяние на решетке не имеет заметной зависимости от допинга. Рассеяние на ионизированных примесях происходит при низких температурах и увеличивается с увеличением легирующих примесей. Этот тип механизма рассеяния использует тот факт, что при низких температурах у носителей не хватает энергии для перехода на какие-либо другие энергетические уровни, а это означает, что ионизированные ионы примеси вызывают электростатическое притяжение с электронами или дырками в n-типе или p полупроводник соответственно. Увеличение количества примесей увеличивает количество «рассеивающих центров» в полупроводниковом материале, что означает появление дополнительных препятствий, которые могут ограничивать движение носителей заряда.
    3. Три области/поведения: область замораживания, внешняя область и внутренняя область.

    Дополнительные ссылки

    • Распространение (Википедия)
    • Зонная теория полупроводников
    • Внешний полупроводник (Википедия)
    • Как работают полупроводники
    • Фотолитография (Википедия)
    • Полосы для легированных полупроводников (HyperPhysics)
    • Ионная имплантация (Википедия)
    • Допинг (Википедия)

    Каталожные номера

    1. R Пьер.

    Опубликовано

    в

    от

    admin

    Метки:

    Комментарии

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *