Собственная и примесная проводимость полупроводников, Собственная и примесная проводимость полупроводников
Следовательно, различают электронную и дырочную проводимость полупроводников. Тогда в полупроводнике наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость. Основными носителями в ней являются дырки. Каждый атом примеси индия приведёт к образованию лишней дырки.
Дополнительные уровни, располагаемые в них, называют акцепторными. Полупроводники с акцепторными примесями получили название дырочных или полупроводников p -типа. Имеют место на существование смешанные полупроводники. 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.
Кремний является четырехвалентным атомом, значит, атом содержит 4 электрона. Мышьяк пятивалентен, то есть содержит 5 , причем пятый из которых отщепляется по причине наличия теплового движения. Положительный ион мышьяка вытесняет из решетки один из атомов кремния и встает на его место. Происходит возникновение электрона проводимости между узлами решетки. Отсюда следует, что мышьяк считается донорной примесью для 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. 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. Дистанционный экзамен. Две работы по задний. Знайти початкову довжину дроту якщо деформуюча сила створена тягарем масою кг абсолютное видовження мм товщина дроту мм модуль Юнга ГПа.
При этом, если валентность атомов примеси больше, чем у основного кристалла, полупроводник обладает так называемой n —проводимостью электронной. При обратном соотношении валентностей основных и примесных атомов реализуется p —проводимость дырочная. При наличии дырок электрон одного из соседних атомов может занять вакантное место, где будет восстановлена обычная связь, но зато на его прежнем месте появится дырка.
Рассмотрим теперь, как зависит концентрация свободных носителей примесного полупроводника от температуры. На рисунке приведена зависимость натурального логарифма равновесной концентрации свободных электронов в полупроводнике от обратной температуры.
При низких температурах концентрация электронов в полупроводнике определяется концентрацией примесных центров.
С ростом температуры примесная концентрация растет, а следовательно, возрастает и проводимость. В незамкнутом полупроводнике ток будет течь, пока электрическое поле не будет компенсировать внешнее поле.
Конечный результат явления такой же, как если бы носителями тока были не электроны, а положительно заряженные дырки. Следовательно, различают электронную и дырочную проводимость полупроводников. Истинными носителями тока в металлах и полупроводниках реальны электроны, дырки введены формально.
Дырок, как реально существующих положительно заряженных частиц не существует. Однако, оказалось, что в электрическом поле дырки перемещаются так, как двигались бы при классическом рассмотрении положительно заряженные частицы. Из-за небольшой концентрации электронов в зоне проводимости, дырок в валентной зоне можно применять классическую статистику Больцмана.
Проводимость полупроводников, и электронная, и дырочная не связана с наличием примесей. Она называется собственной электропроводностью полупроводников. В идеально чистом полупроводнике без всяких примесей каждому освобожденному тепловым движением или светом электрону соответствовало бы образование одной дырки, то есть количество электронов и дырок, которые участвуют в создании тока, было бы одинаково. Идеально чистые полупроводники в природе не существуют, изготовить из искусственно крайне сложно.
Малые следы примесей качественным образом изменяют свойства полупроводников. Электрическая проводимость полупроводников, которая вызвана наличием примесей атомов других химических элементов, называется примесной электрической проводимостью. Самые небольшие количества примесей могу существенно увеличивать проводимость полупроводников. В металлах, наблюдается обратное явление.
Примеси всегда уменьшают проводимость металлов. Увеличение проводимости при наличии примесей объясняют тем, что в полупроводниках появляются дополнительные энергетические уровни, которые находятся в запрещенной зоне полупроводника.
Пусть дополнительные уровни в запрещенной зоне появились около нижнего края зоны проводимости. В том случае, если интервал энергии, который отделяет дополнительные уровни энергии от зоны проводимости, мал в сравнении с шириной запрещенной зоны, то число электронов в зоне проводимости, следовательно, сама проводимость полупроводника увеличится.
Примеси, которые поставляют электроны в зону проводимости, называют донорами донорными примесями. Дополнительные энергоуровни, при этом, называют донорными уровнями. Полупроводники, имеющие донорные примеси называют электронными полупроводниками n-типа. Пусть с введением примеси добавочные уровни возникают около верхнего края валентной зоны.
В этом случае электроны из валентной зоны переходят на эти добавочные уровни. В валентной зоне при этом появляются дырки, так возникает дырочная электропроводность полупроводника. Такие примеси называют акцепторами акцепторными примесями. Дополнительные уровни при этом называют акцепторными уровнями. Полупроводники, имеющие акцепторные примеси называют дырочными полупроводниками p-типа.
Могут существовать смешанные полупроводники. Каким видом проводимости обладает полупроводник электронной или дырочной судят по знаку эффекта Холла. Процесс введения примесей называется легированием. При очень больших концентрациях примесных уровней может наблюдаться расщепление примесных уровней, в результате чего они могут перекрыть границы соответствующих энергетических зон.
Задание: Объясните, каким типом примеси могут служить атомы мышьяка, атомы бора в кристаллической решетке кремния? Рассмотрим кремний и мышьяк. Кремний -- четырехвалентный атом, следовательно, атом кремния имеет четыре электрона.
Мышьяк пятивалентен, значит, его атом содержит пять электронов. Пятый электрон может отщепиться от атома мышьяка из-за теплового движения. Положительный ион мышьяка может вытеснить из решетки один из атомов кремния, встав не его место.
Так, между узлами решетки появится электрон проводимости. Следовательно, получается, что мышьяк является донорной примесью для кремния. Рассмотрим бор, как примесь к кремнию.
