"Conductivitatea impurităților în semiconductori"
Conductivitatea impurităților semiconductorilor.
Conductivitatea semiconductorilor datorată impurităților se numește conductivitate a impurităților, iar semiconductorii înșiși se numesc semiconductori de impurități.
Impuritatea conductivitate datorată impurităților (atomi de elemente străine), iar tipul de exces atomi defect (în comparație cu compoziția stoichiometric), căldură-Vym (noduri goale sau atomi interstițiale) și mecanice (fisurare, dislocările, și așa mai departe. D.) Defectul . Prezența unei impurități în semiconductor își modifică în mod semnificativ conductivitatea. De exemplu, atunci când aproximativ 0,001% la bor este introdus în siliciu, conductivitatea sa crește cu aproximativ 10 de ori.
Conductivitate impuritatea semiconductor ia în considerare la exemplul de Ge și Si, în care sunt introduse atomi având o valență diferită de valența atomilor pe unitatea principală. De exemplu, substituția germaniu atom atom pentavalent arsenic (Fig. 319 a) un electron nu poate forma o legătură covalentă, aceasta exercitând etsya superfluu și poate fi ușor scindată vibrațiile termice ale rețelei de atomi, m. E. deveni liber. Formarea unui electron liber nu este însoțită de o încălcare a legăturii covalente; de aceea nu apare o gaură. Încărcarea pozitivă excesivă care se produce în apropierea atomului de impuritate este legată de atomul de impuritate și, prin urmare, nu se poate deplasa de-a lungul rețelei.
Din punctul de vedere al teoriei benzii, procesul considerat poate fi reprezentat în felul următor (figura 319, b). Introducerea Lattice impuritate denaturează câmpul, care dă naștere la un nivel de electroni de valență arsenic nazyvaemogoprimesnym decalaj banda nivelul de energie D. În cazul germaniu dopat cu arsenic acest nivel se extinde din partea de jos a benzii de conducție în regiunea DED = 0,013 eV. De la DED Astfel, în semiconductori cu un amestec al cărui valență este mai mare decât valența atomilor de bază, purtătorii actuali sunt electroni; există o conducere electronică a impurităților (conductivitatea de tip n). Semiconductori cu astfel de conductivitate se numesc electroni (sau semiconductori de tip n). Impuritățile, care sunt o sursă de electroni, se numesc donatori. iar nivelurile energetice ale acestor impurități sunt nivelurile donatorilor. Să presupunem că în zăbrele siliciu atomul de impuritate introdus cu trei electroni de valență, cum ar fi bor (Fig. 320, de asemenea). Pentru a forma legături cu aproape Chimiei patru vecini la atomul de bor lipseste un electron, una dintre legăturile în continuare fără personal și al patrulea electron poate fi captat de atomul învecinat al substanței de bază, în care se formează o gaură, respectiv. orificii de umplere secvențiale format electroni echivalente cu mișcarea găurilor în semiconductoare, t. E. Găuri nu rămân localizate, și sa mutat în rețeaua de siliciu sarcini pozitive libere. Excesul de sarcina negativa este, un coș de-electodes lângă atomul de impuritate este legată de atomul de impuritate în zăbrele și nu se poate deplasa. Conform teoriei banda, administrarea unei impurități trivalent în rețeaua de siliciu conduce la un nivel de energie decalaj banda de impuritate A, nu este ocupat, a doua electroni. În cazul stratului de siliciu cu bor dopate situat deasupra părții superioare a marginii banda de valență în regiunea DEA = 0,08 eV (Fig. 320, b). Apropierea acestor nivele la rezultatele de bandă de valență în faptul că deja la temperaturi relativ scăzute, electronii trec din banda de valență la niveluri de impurități și prin legarea la atomii de bor pentru a pierde capacitatea lor de a deplasa prin zăbrele de siliciu, adică. E. Nu participa la conducta. Purtătorii curentului sunt doar găuri care apar în banda de valență. Astfel, în semiconductori cu un amestec al cărui valență este una mai mică decât valența atomilor de bază, purtătorii curentului sunt găuri; conductivitatea găurilor (agilitatea de tip p). Semiconductorii cu această conductivitate se numesc semiconductori de tip p. Impuritățile care captează electroni din banda de valență a unui semiconductor sunt numite acceptoare. iar nivelele energetice ale acestor impurități sunt nivele acceptoare. In contrast, conducția intrinsecă se realizează simultan cu electroni și goluri, conductivitatea impurității a semiconductorilor cauzate în baze purtătorii de același semn nominal: electron - în cazul unei impurități donoare, găuri - în cazul acceptor. Acești transportatori sunt numiți de bază. baze În plus, purtătorii majoritari în semiconductori și purtători minoritari sunt: semiconductori de tip n - găuri în semiconductori de tip P- - electroni. Prezența nivelelor de impurități în semiconductori modifică substanțial poziția nivelului Fermi al EF. Calculele arată că, în cazul de tip n semiconductor, nivelul Fermi la 0 K EF0 situat la jumătatea distanței dintre partea de jos a benzii de conducție și nivelul donor (Fig. 321), temperatura crește, un număr tot mai mare de electroni transferați din statele donatoare în banda de conducție, dar în plus , iar numărul de fluctuații termice care pot excita electronii din banda de valență și le transferă prin banda de energie interzisă, de asemenea, crește. De aceea, la temperaturi ridicate, nivelul Fermi tinde să se miște în jos (linie solidă) în poziția sa de limitare în centrul caracteristicii banda interzisă a unui semiconductor intrinsec. Nivelul Fermi în semiconductori de tip p la 0 K EF0 situate la jumătatea distanței dintre banda de valență și un nivel acceptor (Fig. 322). Curba solidă arată din nou tura sa cu temperatura. La temperaturile la care atomii de impuritate sunt complet epuizate și creșterea concentrației purtătoare se datorează excitării purtători intrinseci, nivelul Fermi este situat în mijlocul benzii ca într-un semiconductor intrinsec. Conductivitatea unui semiconductor impuritate, ca și conductivitatea oricărui conductor, este determinată de concentrația purtătorului și de mobilitatea acestuia. Odată cu schimbarea temperaturii se modifică mobilitatea purtătoare a legii putere relativ slabă, iar concentrația purtătoare - pentru foarte mare exponențial, deci th semiconductorii de conductivitate de impurități asupra temperaturii este determinată în principal de temperatură dependență Dl a densității purtătoare în ea. În Fig. 323 dă un grafic aproximativ al dependenței de ln g pe 1 / T pentru semiconductori de impurități. Secțiunea AB descrie conductivitatea impurităților semiconductorului. Creșterea conductivității impurităților unui semiconductor cu o creștere a temperaturii se datorează în primul rând unei creșteri a concentrației purtătorilor de impurități. Segmentul BC corespunde epuizarea impurităților (acest lucru este confirmat prin experimente), secțiunea CD descrie conductivitatea intrinsecă a semiconductorului.
Concentrația principalilor purtători de curent în semiconductori de impurități este aproximativ egală cu concentrația atomilor de impuritate din ele.
Să luăm în considerare influența impurității conductivității unui semiconductor asupra exemplului Germaniei cu un amestec de arsenic.
La temperatura camerei, concentrația de electroni liberi în Germania pură este aproximativ egală cu 1013 l / cm3. Concentrația atomilor din Germania este de 1022 l / cm3.
Dacă zabrele adăugați la un milion de Germania atomi per atom de arsenic, care este de numai 10,4% din numărul de atomi germaniului în banda de conducție poate fi 1016 electroni liberi pe Grilele centimetru cub, adică de 1000 de ori mai mare decât pentru privat conductivitatea germaniului. Și aceasta va duce la o creștere a conductivității de 1000 de ori.
Argumentele analoage pot fi de asemenea date pentru semiconductori de tip p.
De asemenea, trebuie remarcat faptul că conductivitatea metalelor este mult mai mare decât conductivitatea semiconductorilor, atât cu conductivitatea intrinsecă cât și cu impuritățile. Acest lucru se explică prin faptul că concentrația de electroni liberi într-un metal este egală sau de câteva ori mai mare decât concentrația atomilor, adică aproximativ 1022 1 / cm3, care este mult mai mare decât concentrația purtătorilor principali din semiconductori.
Densitatea curentului în semiconductori de impurități este determinată de formulele:
1) în semiconductori de tip n
2) în semiconductori de tip p
unde e0 este încărcătura elementară,
n este concentrația principalilor purtători
u este viteza medie a mișcării direcționate a electronilor
u + este viteza medie a mișcării direcționate a găurilor
Rezistența metalelor este scăzută, În dielectrice tipice, concentrația de electroni este neglijabilă, iar rezistivitatea # 961; diel = 10 8-10 10 Ohm · m.
Rezistența semiconductorilor poate varia în funcție de temperatură sau iluminare # 961; pp = 10 - 2 - 10 6 Ω · m.
Literatură: Documentație tehnico-didactică-metodică
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: