Как называется процесс внесения примесей
Примесная проводимость полупроводников
Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную,
и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей.
Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре порядка 3·1013 / см3. В то же время число атомов германия в 1 см3
1023. Проводимость полупроводников увеличивается с введением примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.
Примесными центрами могут быть:
атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;
избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;
различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.
Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).
Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As5+, которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях.
Энергия отрыва (энергия ионизации) пятого валентного электрона мышьяка в кремнии равна 0,05 эВ = 0,08·10−19 Дж, что в 20 раз меньше энергии отрыва электрона от атома кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка теряют один из своих электронов и становятся положительными ионами. Положительные ионы мышьяка не могут захватить электроны соседних атомов, так как все четыре связи у них уже укомплектованы электронами. В этом случае перемещения электронной вакансии — «дырки» не происходит и дырочная проводимость очень мала, то есть практически отсутствует. Небольшая часть собственных атомов полупроводника ионизирована, и часть тока образуется дырками, то есть донорные примеси — это примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения равного количества подвижных дырок. В итоге мы получаем полупроводник с преимущественно электронной проводимостью, называемый полупроводником n-типа.
В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In3+ атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает». Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка. Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны.
Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа.
Необходимо отметить, что введение примесей в полупроводники, как и в любых металлах, нарушает строение кристаллической решетки и затрудняет движение электронов. Однако сопротивление не увеличивается из-за того, что увеличение концентрации носителей зарядов значительно уменьшает сопротивление. Так, введение примеси бора в количестве 1 атом на сто тысяч атомов кремния уменьшает удельное электрическое сопротивление кремния приблизительно в тысячу раз, а примесь одного атома индия на 108 — 109 атомов германия уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.
Возможность управления удельным сопротивлением благодаря введению примесей используется в полупроводниковых приборах.
Дырочная проводимость не является исключительной особенностью полупроводников. У некоторых металлов и их сплавов существует смешанная электронно-дырочная проводимость за счет перемещений некоторой части неколлективированных валентных электронов. Например, в цинке, бериллии, кадмии, сплавах меди с оловом дырочная составляющая электрического тока преобладает над электронной.
Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей тока — электронов или дырок.
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.
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Т. Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников
Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике.
Примесными центрами могут быть:
Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.
Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).
Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As 5+ , которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях (рис. 1).
В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In 3+ атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает» (рис. 2). Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка. Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны.
Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа.
Возможность управления удельным сопротивлением благодаря введению примесей используется в полупроводниковых приборах.
Дырочная проводимость не является исключительной особенностью полупроводников. У некоторых металлов и их сплавов существует смешанная электронно-дырочная проводимость за счет перемещений некоторой части неколлективированных валентных электронов. Например, в цинке, бериллии, кадмии, сплавах меди с оловом дырочная составляющая электрического тока преобладает над электронной.
Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей тока — электронов или дырок.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 302-303.
Как называется процесс внесения примесей
§ 72. Собственная и примесная проводимости полупроводников
Собственная проводимость полупроводника увеличивается с повышением температуры. При неизменной температуре наступает динамическое равновесие между процессом образования дырок и рекомбинаций электронов и дырок. При таком условии количество электронов проводимости и дырок в единице объема сохраняется постоянным.
Рис. 102. Электронная и дырочная примеси
Атом мышьяка, находясь в узле кристаллической решетки германия, потеряв электрон, становится положительным ионом.
Он прочно связан с кристаллической решеткой германия, поэтому в образовании тока участия не принимает.
Энергия, необходимая для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (см. рис. 96), называется энергией активизации. У примесных носителей тока она обычно во много раз меньше, чем у носителя тока основного полупроводника. Поэтому при незначительном нагревании, освещении освобождаются главным образом электроны атомов примеси. На месте ушедшего электрона в атоме донора образуется дырка. Однако перемещения электронов в дырки почти не наблюдается, т. е. дополнительная дырочная проводимость, создаваемая донором, очень мала. Это объясняется следующим. По причине небольшого количества атомов примеси ее электроны проводимости редко оказываются рядом с дыркой и не могут ее заполнить. А электроны атомов основного полупроводника хотя и находятся вблизи дырок, но не в состоянии их занять ввиду своего гораздо более низкого энергетического уровня.
Небольшое добавление донорной примеси делает число свободных электронов проводимости в тысячи раз больше, чем число свободных электронов проводимости в чистом полупроводнике при тех же условиях. В полупроводнике с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа.
Примеси, захватывающие электроны у основного полупроводника и, следовательно, увеличивающие в нем число дырок, называются акцепторными (принимающими) примесями. В качестве таких примесей используются элементы, атомы которых имеют меньшее количество валентных электронов, чем атомы основного полупроводника. Так, по отношению к германию акцепторными являются примеси индия, алюминия.
На месте ушедшего из атома германия электрона образуется дырка, которая является свободным носителем положительного заряда. Эта дырка может быть заполнена электроном А из соседнего атома германия и т. д. В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа.
Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости
Урок 58. Физика 10 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости»
Существует широкий класс веществ, по удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Эти вещества принято называть полупроводниками.
К полупроводникам относят двенадцать химических элементов в средней части таблицы Менделеева, множество оксидов и сульфидов металлов, а также других химических соединений.
Давайте изучим основные свойства проводников с помощью двух простых опытов. Для этого соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, ключа, чистого полупроводника и миллиамперметра. Замкнём цепь. Амперметр нам показывает, что по цепи идёт достаточно слабый ток. А теперь нагреем исследуемый полупроводник.
Нетрудно заметить, как по мере роста его температуры сила тока в цепи возрастает. Это свидетельствует о том, что удельное сопротивление полупроводников с увеличением температуры не растёт как у металлов, а, наоборот, достаточно резко уменьшается. При этом зависимость сопротивления полупроводников от температуры является нелинейной. С понижением же температуры сопротивление полупроводников возрастает и вблизи абсолютного нуля становится таким же большим, как и у диэлектриков.
Давайте вернём наш полупроводник в исходное состояние, но теперь будем не нагревать его, а освещать при помощи обычного фонарика. Изменяя освещённость поверхности полупроводника, мы наблюдаем изменение показаний миллиамперметра. Результаты наших наблюдений означают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.
Экспериментально установлено, что при прохождении электрического тока в чистых полупроводниках, как и в металлах, никаких химических изменений не происходит, то есть перенос заряда при прохождении тока не сопровождается переносом вещества.
Давайте рассмотрим механизм проводимости чистых полупроводников на примере кристалла германия, валентность атомов которого равна четырём. Такая валентность говорит нам о том, что атомы германия на внешней оболочке имеют четыре сравнительно слабо связанных с ядром валентных электрона. При этом каждый атом кристалла связан с четырьмя соседними атомами посредством парноэлектронной — ковалентной связи. То есть два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару. Поэтому все валентные электроны атома германия участвуют в образовании ковалентных связей.
При температурах, близких к абсолютному нулю, ковалентные связи германия достаточно прочны, поэтому свободные электроны отсутствуют, и германий является диэлектриком.
Для того чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, кристаллу германия необходимо сообщить некоторую энергию, например, нагревая кристалл. При этом часть электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы и стать свободными, подобно электронам в металлах. В электрическом поле они перемещаются между узлами решётки, создавая электрический ток.
Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью.
Нейтральный атом, которому принадлежал освободившийся электрон, становится положительно заряженным ионом, а в ковалентных связях образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой.
Одновременно с процессом возникновения свободных электронов и дырок происходит процесс, при котором один из электронов (не свободный, а обеспечивающий ковалентную связь) перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает ковалентную связь. При этом положение дырки меняется, что можно моделировать как её перемещение. Таким образом, при отсутствии внешнего электрического поля в кристалле полупроводника наблюдается беспорядочное перемещение свободных электронов и дырок, концентрации которых в чистом полупроводнике одинаковые.
Дырки считают подвижными носителями положительного заряда, который равен модулю заряда электрона. Проводимость, обусловленная движением дырок, называется дырочной проводимостью полупроводников.
Конечно же дырок как положительных зарядов, существующих реально, в действительности нет. Тем не менее представление о них является хорошей физической моделью, которая даёт возможность рассматривать электрический ток в полупроводниках на основе законов физики.
При наличии внешнего электрического поля на хаотическое движение свободных электронов и дырок накладывается их упорядоченное движение, то есть возникает электрический ток. Причём движение свободных электронов происходит в направлении, противоположном направлению напряжённости внешнего электрического поля, а движение дырок совпадает с направлением напряжённости поля
Проводимость, обусловленная движением свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью полупроводника.
Но изменить свойства полупроводников можно не только нагреванием или воздействием электромагнитного излучения, но и добавлением в чистый полупроводник примесей.
Проводимость, обусловленную наличием примесей в полупроводнике, называют примесной проводимостью полупроводника.
Рассмотрим механизм этой проводимости на примере кристалла германия, содержащего примесь атомов мышьяка, валентность которых равна пяти.
Итак, четыре валентных электрона атома мышьяка образуют ковалентные связи с соседними атомами германия. Пятые электроны атомов мышьяка не задействованы в образовании ковалентных связей и могут свободно перемещаться, почти как электроны в металлическом проводнике. Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной. Такие полупроводники называют электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа (от латинского отрицательный).
Примеси, поставляющие в полупроводники свободные электроны без возникновения равного им количества дырок, называют донорными (то есть, отдающими). Удельное сопротивление полупроводника с содержанием таких примесей резко уменьшается и может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.
А теперь давайте заменим атомы мышьяка, на атомы трёхвалентного индия. Очевидно, что валентные электроны атома индия образуют ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвёртым атомом германия у атома индия электрона нет. Поэтому возле каждого атома индия одна из ковалентных связей будет незаполненной, то есть возникает дырка. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Но при этом дырка образуется на том месте, где до этого находился электрон.
В результате введения такой примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются дырки. Проводимость такого кристалла будет преимущественно дырочной.
Такие полупроводники называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа (от латинского положительный).
Примеси, наличие которых в полупроводнике приводит к образованию дырок, не увеличивая при этом числа свободных электронов, называют акце́пторными (то есть принимающими). Удельное сопротивление полупроводников, содержащих акцепторные примеси, также резко уменьшается.
Наиболее интересные явления происходят при контакте полупроводников п— и р-типов. Эти явления используются в большинстве полупроводниковых приборов.
Контакт двух проводников с разным типом проводимости называется электронно-дырочным переходом или, сокращённо, п—р-переходом.
Концентрация свободных электронов в n-области значительно выше, чем в p-области, соответственно концентрация дырок, то есть вакантных мест в p-области значительно больше их концентрации в n-области.
Как только полупроводники приводят в контакт, начинается диффузия электронов из области с проводимостью n-типа в область с проводимостью p-типа и соответственно переход дырок в обратном направлении. Перешедшие в полупроводник p-типа электроны занимают свободные места, происходит процесс рекомбинации электронов и дырок, а попавшие в полупроводник n-типа дырки также исчезают благодаря электронам, занимающим вакантное место.
В результате диффузии на границе между этими областями образуется двойной электрический слой разноимённо заряженных ионов, толщина которого не превышает долей микрометра. Между слоями ионов возникает электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу основных носителей заряда через границу раздела. Иными словами, в зоне перехода между полупроводниками разных типов образуется так называемый запирающий слой.
Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампочки и полупроводника с n—p-переходом. При этом положительный полюс источника тока подключим к p-области, а отрицательный — к n-области. При замыкании цепи лампочка будет светиться. Вывод очевиден: в цепи проходит электрический ток.
Объяснить это явление можно так. Под действием электрического поля, созданного источником тока, запирающий слой начинает исчезать, так как напряжённость внешнего электрического поля источника противоположна по направлению напряжённости поля запирающего слоя и практически полностью компенсирует её. Это приводит к возобновлению диффузии основных носителей заряда через n—p-переход. В этом случае n—p-переход включён в прямом или, говорят, в пропускном направлении.
А теперь поменяем подключение полупроводника к источнику тока.
При замыкании цепи лампочка не светится, то есть ток в цепи отсутствует. Причина в том, что толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются, так как направление напряжённости электрического поля, созданного источником, совпадает с направлением напряжённости поля запирающего слоя.
В этом случае n—p-переход включён в обратном (запирающем) направлении и ток через переход практически отсутствует (если не учитывать ток, созданный неосновными носителями, концентрация которых мала по сравнению с концентрацией основных носителей тока).
Таким образом, n—p-переход в полупроводнике обладает односторонней проводимостью.
Это свойство полупроводников широко используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами. Они являются основными элементами выпрямителей переменного тока и детекторов электромагнитных сигналов.