примеси какой валентности обеспечивают получение полупроводников n типа

Полупроводник. n-тип, p-тип, примесные элементы.

Что такое полупроводник и с чем его едят?

К числу полупроводников относятся многие химические элементы: Si кремний, Ge германий, As мышьяк, Se селен, Te теллур и другие, а также всевозможные сплавы и химические соединения, например: йодид кремния, арсенид галлия, теллурит ртути и др.). В общем почти все неорганические вещества окружающего нас мира являются полупроводниками. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий по приблизительным подсчетам почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли атом примесного элемента электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Донорские и акцепторные свойства атома примесного элемента зависят также того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Как выше упоминалось, проводниковые свойства полупроводников сильно зависит от температуры, а при достижениитемпературы абсолютного нуля (-273°С) полупроводники имеют свойства диэлектриков.

По виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип

Полупроводник n-типа

По виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип.

Полупроводник n-типа имеет примесную природу и проводит электрический ток подобно металлам. Примесные элементы, которые добавляют в полупроводники для получения полупроводников n-типа, называются донорными. Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд, переносимый свободным электроном.

Теория процесса переноса заряда описывается следующим образом:

В четырёхвалентный Si кремний добавляют примесный элемент, пятивалентный As мышьяка. В процессе взаимодействия каждый атом мышьяка вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Но остается пятый свободный атом мышьяка, которому нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную орбиту, где для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный, способный переносить заряд. Таким образом перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам.
Также сурьмой Sb улучшают свойства одного из самых важных полупроводников – германия Ge.

Полупроводник p-типа

Полупроводник p-типа, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.
«p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей.
Например в полупроводник, четырёхвалентный Si кремний, добавляют небольшое количество атомов трехвалентного In индия. Индий в нашем случае будет примесным элементом, атомы которого устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Но у кремния остается одна свободная связь в то время, как у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, образуя так называемую дырку и соответственно дырочный переход.
По такой же схеме In ндий сообщает Ge германию дырочную проводимость.

Исследуя свойства полупроводниковых элементов и материалов, изучая свойства контакта проводника и полупроводника, экспериментируя в изготовлении полупроводниковых материалов, О.В. Лосев 1920-х годах создал прототип современного светодиода.

Источник

Примеси какой валентности обеспечивают получение полупроводников n типа

Примеси 5-ой группы валентности, которые отдают свои электроны в ЗП при сообщении некоторой энергии, называются донорными (рисунок 11).

Примесные атомы образуют локальные энергетические уровни. В атоме фосфора 5-ый электрон слабее связан с атомом, чем остальные валентные электроны, поэтому дополнительный энергетический уровень 5-го электрона расположен выше ВЗ, но так как существует остаточная связь с атомом, этот уровень находится ниже ЗП. Энергетический локальный уровень Wд, в невозбужденном состоянии занят электроном, а при возбуждении отдает электрон в ЗП. Этот уровень называется донорным (рисунок 12).

Если в кристаллическую решетку кремния ввести атом трехвалентного бора В, то три электрона В образуют ковалентные связи с тремя из четырех соседних атомов кремния. Одна из ковалентных связей остается незаполненной (рисунок 13).

Свободная связь может быть легко занята электроном, перешедшим от атома основной решетки. На месте ушедшего электрона образуется «дырка», а атом бора превращается в отрицательный электрон (неподвижный). Примеси, которые при возбуждении способны захватить электрон из валентной зоны называются «акцепторными».

В кремнии с примесью бора локальный энергетический уровень W_A располагается в 33 вблизи «потолка» ВЗ и называется акцепторным.

Подвижные носители заряда, концентрация которых преобладает в примесных полупроводниках называются основными (дырки в р-типа и электроны в полупроводниках), а носители, составляющие меньшинство в n-типа, электроны в р-типа полупроводниках.

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

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники – примесными полупроводниками

Примесную проводимость полупроводников рассмотрим на примере кремния (Si), в который вводятся примесные атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. Например, при замещении четырехвалентного атома кремния пятивалентным атомом мышьяка (рис. 20.11а) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко (при тепловых колебаниях решётки) отщеплен от атома, т.е. стать свободным. Образование свободного электрона при этом не сопровождается появлением дырки, поскольку положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с ним и не может перемещаться по решётке.

С точки зрения зонной теории рассмотренный процесс можно представить следующим образом (рис. 20.11б). Введение примеси искажает поле решётки, что приводит к возникновению в запрещённой зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае кремния с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии эВ. Так как , то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны. Такие примеси обеспечивают электронную примесную проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей – донорными.

Предположим, что в решетку кремния введён примесный атом с тремя валентными электронами, например, бор (рис. 20.12а).

Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора недостаёт одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвёртый электрон может быть захвачен от соседнего 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 решётке кремния как свободные положительные заряды. Избыточный же, отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с ним и по решётке перемещаться не может.

По зонной теории, введение трёхвалентной примеси в решётку кремния приводит к возникновению в запрещённой зоне примесного энергетического уровня А, не занятого электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии 0,08 эВ (рис. 20.12 б). Близость этих уровней к валентной зоне (по сравнению с шириной запрещенной зоны = 1,1 эВ) 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.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проводимость р-типа). Проводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками р-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей – акцепторными уровнями.

При относительно низких температурах примесная проводимость (участок АВ на рис. 20.13) превышает собственную проводимость полупроводников и возрастает до тех пор, пока не будет исчерпан запас электронов на донорных уровнях, или не будут заполнены акцепторные уровни (участок ВС на рис. 20.13 соответствует области истощения примесей). При более высоких температурах основную роль начинает играть уже собственная проводимость (участок CD на рис. 20.13).

Контактные явления в металлах и полупроводниках.

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. В результате в окружающем металлы пространстве появляется электрическое поле. На рис 44.4 изображены эквипотенциальные поверхности и линии напряженности этого поля; поверхность каждого из металлов является эквипотенциальной.

Рис. 44.4. Эквипотенциальные поверхности (сплошные) и линии Е (штриховые) поля, обусловленного контактной разностью потенциалов

Вольта экспериментально установил два закона:

1) КРП зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.

2) КРП последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна КРП, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников. Зонная теория позволяет наглядно объяснить причину возникновения КРП.

Металлическое тело представляет для валентных электронов потенциальную яму. Поэтому потенциальная энергия валентных электронов внутри металла меньше, чем вне металла, на величину, равную глубине потенциальной ямы (рис. 44.1).

Рис. 44.1. Потенциальная яма глубины для валентных электронов в металле. Потенциальная энергия электрона в металле отрицательна и равна (потенциальную энергию вне металла полагаем равной нулю). Штриховой линией показано изменение потенциала при переходе через поверхность металла

Изменение энергии происходит на длине порядка нескольких межатомных расстояний, поэтому стенки ямы можно считать вертикальными.

Потенциальная энергия электрона внутри металла равна произведению заряда электрона на потенциал внутри металла (потенциал вне металла полагаем равным нулю). Отсюда следует, что потенциал внутри металла положителен и равен .

Сообщение металлу избыточного положительного заряда увеличивает потенциал, как на поверхности, так и внутри металла. Потенциальная энергия электрона соответственно уменьшается (рис. 44.2а). Сообщение отрицательного заряда понижает потенциал внутри и вне металла. Соответственно потенциальная энергия электрона возрастает (рис. 44.2б).

Полная энергия электрона в металле слагается из потенциальной и кинетической энергий.

Рис. 44.2. Изменение потенциальной энергии электрона при сообщении металлу положительного (а) и отрицательного (б) зарядов

При абсолютном нуле значения кинетической энергии электронов проводимости заключены в пределах от нуля до совпадающей с уровнем Ферми энергии . На рис 44.3 энергетические уровни зоны проводимости «вписаны» в потенциальную яму.

Рис. 44.3, Потенциальная яма с «вписанными» в нее энергетическими уровнями зоны проводимости. Штриховыми линиями изображены уровни, не занятые при абсолютном нуле

Для удаления за пределы металла разным электронам нужно сообщить неодинаковую энергию. Так, электрону, находящемуся на самом нижнем уровне зоны проводимости, необходимо сообщить энергию ; для электрона, находящегося на уровне Ферми, достаточна энергия .

Работу выхода принято обозначать через , где – величина, называемая потенциалом выхода. В соответствии со сказанным работа выхода электрона из металла определяется выражением

.

Контактная разность потенциалов обусловлена тем, что при соприкосновении металлов часть электронов из одного металла переходит в другой. В верхней части рис. 44.5 изображены два металла до приведения их в соприкосновение и после. В нижней части рисунка даны графики потенциальной энергии электрона. Уровень Ферми в первом металле лежит, по предположению, выше, чем во втором. Естественно, что при возникновении контакта между металлами электроны с самых высоких уровней в первом металле станут переходить на более низкие свободные уровни второго металла. В результате потенциал первого металла возрастает, а второго – уменьшается. Соответственно потенциальная энергия электрона в

первом металле уменьшится, а во втором увеличится.

Рис. 44.5. График потенциальной энергии электрона в двух различных металлах, не соприкасающихся друг с другом (а) и находящихся в контакте друг с другом (б)

В статистической физике доказывается, что условием равновесия между соприкасающимися металлами (а также между полупроводниками или металлом и полупроводником) является равенство полных энергий, соответствующих уровням Ферми. При этом условии уровни Ферми обоих металлов располагаются на схеме на одинаковой высоте. На рис. 44.5 видно, что в этом случае потенциальная энергия электрона в непосредственной близости к поверхности первого металла будет на меньше, чем вблизи второго металла. Следовательно, потенциал на поверхности первого металла будет на

(44.2)

выше, чем на поверхности второго. Величина и есть контактная разность потенциалов между первым и вторым металлами.

Согласно формуле (44.2) контактная разность потенциалов между первым и вторым металлами равна разности работ выхода для второго и первого металлов, деленной на элементарный заряд, или просто разности потенциалов выхода для второго и первого металлов.

Разность потенциалов (44.2) устанавливается между точками, лежащими вне металлов в непосредственной близости к их поверхности. Поэтому ее называют внешней контактной разностью потенциалов. Между внутренними точками металлов также имеется разность потенциалов, которая называется внутренней. На рис. 44.5 видно, что потенциальная энергия электрона в первом металле меньше, чем во втором, на . Соответственно потенциал внутри первого металла выше, чем внутри второго, на величину

. (44.3)

Это выражение дает внутреннюю контактную разность потенциалов. На такую величину убывает потенциал при переходе из первого металла во второй.

Рассмотрим контактные явления в полупроводниках. Наличие в примесных полупроводниках двух типов проводимости приводит к возникновению односторонней проводимости при контакте двух полупроводников различных типов (в p-n переходе). Если донорный полупроводник (полупроводник n-типа) приводится в контакт с акцепторным полупроводником (полупроводник р-типа), то электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении, т.е. в направлении р ® n.

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных донорных атомов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизированных акцепторов (рис. 20.15а). Эти заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от n-области к р-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n®p и дырок в направлении р®n, т.е. образуется так называемый запирающий слой. Толщина слоя р-n перехода в полупроводниках составляет десятые доли микрона, а контактная разность потенциалов (Е_к) – десятые доли Вольт.

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к р-n переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупроводника к р-полупроводнику (рис. 20.15б), т.е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике от границы р-n перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширяется и его сопротивление возрастает. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется обратным. В этом случае через запирающий слой протекает слабый обратный ток, обусловленный неосновными носителями тока (электронами в р-полупроводнике и дырками в n-полупроводнике).

Если приложенное к р-n переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 20.15в), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе р-n перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь p-n переход в направлении от р-полупроводника к n-полупроводнику. Ток, протекающий в этом случае через p-n переход, называется прямым.

Таким образом, p-n переход обладает односторонней (вентильной) проводимостью. Вольт-амперная характеристика p-n перехода представлена на рис. 20.16.

Фотопроводимость полупроводников

Электропроводность полупроводников увеличивается под действием электромагнитного излучения. Это явление, называемое фотопроводимостью полупроводников, может быть связано со свойствами, как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае, если энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 20.17а), что приведет к появлению добавочных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная как электронами, так и дырками.

В полупроводниках, содержащих примеси, фотопроводимость может возникнуть и при : для полупроводников с донорной примесью фотон должен обладать энергией , а для полупроводников с акцепторной примесью – .

Источник