Структура собственных и примесных полупроводников

К полупроводникам относят радиоматериалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от температуры и концентрации примесей, что объясняется особенностями их кристаллической структуры.

Основными материалами, применяемыми в полупроводниковой электронике, являются четырехвалентные кремний Si и германий Ge , а также арсенид галлия GaAs.

Полупроводник, кристаллическая решетка которого не содержит атомов другой валентности, называется собственным полупроводником, или полупроводниками типа i от английского intrinsic-собственный. Практически в кристаллической решетке полупроводника всегда присутствуют примеси, однако их концентрация столь ничтожна, что ею можно пренебречь. Кристаллическая решетка собственного полупроводника состоит из элементарных кубических ячеек рис.

Каждый атом, расположенный в центре куба, связан с четырьмя атомами, расположенными в углах куба. В свою очередь каждый атом, расположенный в углах куба, связан с четырьмя атомами, расположенными в центрах соседних кубов. Атомы в кристаллической решетке полупроводника расположены упорядоченно на таких расстояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки перекрываются, и у электронов соседних атомов появляются общие орбиты, посредством которых образуются ковалентные связи.

В 1 см 3 германия содержится атомов, кремния атомов, арсенида галлия атомов. В узлах кристаллической решетки арсенида галлия чередуются пятивалентные атомы мышьяка и трехвалентные атомы галлия, вокруг которых также образуются электронные оболочки из восьми обобществленных электронов.

При сообщении кристаллической решетке некоторого дополнительного количества энергии, например, путем нагрева, электрон может покинуть ковалентную связь и превратиться в свободный носитель электрического заряда. При этом вакантное место перемещается к другому атому Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки принято рассматривать как перемещение некоторого положительного заряда, называемого дыркой.

Величина этого заряда равна заряду электрона. Процесс образования свободных электронов и дырок под воздействием тепла называют тепловой генерацией.

Она характеризуется скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Помимо тепловой генерации возможна генерация под воздействием света или каких-либо других энергетических воздействий. Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического движения, средняя тепловая скорость которого определяется формулой:.

Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью рекомбинации R, определяющей количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени. Поскольку электроны и дырки генерируются попарно, то в собственном полупроводнике выполняется условие: Полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо четырехвалентных атомов содержит атомы с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, и их концентрация превышает собственную концентрацию носителей заряда, называют примесными.

Если валентность примесных атомов больше валентности основных атомов, например, в кристаллическую решетку кремния введены пятивалентные атомы мышьяка, то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в ковалентной связи, то есть становится лишним, рис.

При этом примесный атом оказывается ионизированным и приобретает положительный заряд. Такой полупроводник называют электронным или полупроводником типа n от латинского negative-отрицательный , а примесные атомы называют донорами. Если в кристаллическую решетку кремния введены атомы трехвалентной примеси, например атомы алюминия, то одна из ковалентных связей оказывается незаполненной рис.

При незначительном тепловом воздействии электрон одной из соседних связей может перейти в незаполненную связь, а на том месте, откуда пришел электрон, возникает дырка. При этом примесный атом приобретает отрицательный заряд.

Энергетические зонные диаграммы собственных и примесных полупроводников.

Такой полупроводник называют дырочным или полупроводником типа p от латинского positive —положительный , а примесные атомы называют акцепторами. С точки зрения зонной теории при тепловой генерации происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, а при рекомбинации их возврат из зоны проводимости в валентную зону рис. Скорость тепловой генерации обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны и прямо пропорциональна температуре Т.

Чем шире запрещенная зона, тем меньше концентрация собственных носителей заряда. Введение доноров ведет к появлению внутри запрещенной зоны вблизи дна зоны проводимости примесного уровня Е D рис.

Электроны, находящиеся на уровне E D , переходят с уровня Е D в зону проводимости. Наряду с ионизацией примеси в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, но количество образующихся при этом электронов и дырок существенно меньше, чем в собственном полупроводнике. Объясняется это тем, что электроны, полученные в результате ионизации донорных атомов, занимают нижние энергетические уровни зоны проводимости и переход электронов из валентной зоны может происходить только на более высокие уровни зоны проводимости.

Но для таких переходов электроны должны обладать более высокой энергией, чем в собственном полупроводнике, и поэтому значительно меньшее число электронов способно их осуществить. Поэтому в электронном полупроводнике концентрация дырок p n. Электроны в электронном полупроводнике называют основными носителями заряда, а дырки неосновными.

В дырочном полупроводнике за счет введения трехвалентных примесных атомов в пределах запрещенной зоны появляется примесный уровень Е А рис. Поэтому в полупроводнике устанавливается высокая концентрация дырок p p. В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация, однако количество образующихся при этом пар носителей заряда невелико.

Объясняется это теми же причинами, что и в электронном полупроводнике. На уровни акцепторов переходят электроны с энергетических уровней, расположенных вблизи потолка валентной зоны, а переход электронов из валентной зоны в зону проводимости совершают электроны, расположенные на более низких уровнях валентной зоны, для чего необходимо затратить более высокую энергию, чем в собственном полупроводнике.

Поэтому концентрация электронов n p меньше концентрации n i. Дырки в дырочном полупроводнике называют основными носителями заряда, а электроны неосновными. На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше Собственная ответственность означает обязанность соответствующих должностных лиц отвечать за собственные управленческие решения и действия Влияние, силу государства на мировой арене можно представить как его способность, защищая собственные интересы, воздействовать на другие государства, на ход событий в мире Глоссарий.

Вне зависимости от организационно-правовых видов и форм собственности имущество по источникам образования подразделяется на две группы: Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? В узлах кристаллической решетки арсенида галлия чередуются пятивалентные атомы мышьяка и трехвалентные атомы галлия, вокруг которых также образуются электронные оболочки из восьми обобществленных электронов Плоская модель кристаллической решетки собственного полупроводника показана на рис.

Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического движения, средняя тепловая скорость которого определяется формулой: