• Главная
  • rss-лента сайта solo-project.com

Примесная проводимость полупроводников. электронные полупроводники

Сначала полупроводник очистим, затем его «загрязним». Введем в кристалл германия некоторое количество атомов фосфора (Р). Это можно осуществить, например, следующим способом. На максимально очищенный от примесей кристалл германия кладут капельку расплавленного фосфора. Температура плавления фосфора ниже температуры плавления германия, поэтому кристалл германия останется твердым. Атомы жидкого фосфора совершают беспорядочное тепловое движение. Они «атакуют» поверхность германия, проникают в его кристаллическую структуру все глубже и глубже. Такой процесс называют диффузией. Можно сказать, что атомы фосфора диффундируют в глубь кристаллической решетки германия. При диффузном движении частицы занимают те области пространства, где их концентрация первоначально была меньше. Диффузия стремится выровнять концентрацию частиц примеси, т. е. распределить их равномерно по объему. Подчеркнем еще раз, что причиной диффузии является хаотическое тепловое движение частиц. Метод введения примесей в полупроводник, основанный на диффузии, называют диффузионным. Этот образ должен пояснить тот факт, что четыре валентных электрона атома фосфора хорошо вписываются в кристаллическую решетку германия и образуют связи с соседними ионами решетки, тогда как пятый, валентный электрон оказывается «лишним».

Что происходит с этим электроном? Он удерживается «пятой рукой» иона фосфора и в то же время постоянно подвержен «толчкам», вызванным тем, что ион, совершая тепловое движение, «дрожит». При таких условиях лишний электрон легко теряется ионом, «отскакивает» от него и переходит в пространство между узлами решетки, т. е. становится свободным. На языке энергетических зон это значит, что электрон переходит в зону проводимости.

Таким образом, примесь фосфора или другого пятивалентного вещества (например, мышьяка или сурьмы) увеличивает число свободных электронов в зоне проводимости кристалла германия или другого 4-валентного полупроводника, например кремния (Si). Поэтому такая примесь получила образное название донорной, т. е. примеси, «отдающей» электроны. Заметим, что на число дырок в валентной зоне эта примесь никак не влияет.

Почему даже малая доля примеси существенно меняет проводимость полупроводника. Для этого надо определить, какое количество носителей заряда вносится в единицу объема полупроводника примесью. В 1 см3 германия содержится около 4,5 *10^22 атомов. Поэтому если заменить лишь каждый стотысячный атом германия атомом фосфора, то число свободных электронов — носителей заряда в 1 см3 окажется равным 4,5 *10^17. В 1 см3 максимально чистого германия число электронов, в среднем находящихся в зоне проводимости при комнатной температуре, равно 2,5 *10^13. Сравните эти цифры. Они показывают, что ничтожное количество примеси (1 атом примеси на 100 000 атомов германия!)? увеличивает число свободных электронов в 10 000 раз!

Таким образом, полупроводники, в которые введена донорная примесь, проводят ток главным образом за счет движения свободных электронов в зоне проводимости. Такие полупроводники называют электронными или полупроводниками d электронной проводимостью n-типа. Последнее обозначение образовано от английского слова negative — отрицательный.

Сами свободные электроны, играющие здесь основную роль в процессе образования электрического тока, называют основными носителями заряда.

Легко догадаться, что такое название имеет смысл, если в электронном полупроводнике есть и неосновные носители заряда. Такими носителями являют* с я дырки в валентной зоне, образующиеся в примесном полупроводнике точно так же, как в беспримесном — чистом (собственном).

Вернемся теперь к модели энергетических зон и изобразим ее для примесного электронного полупроводника. Наблюдали ли вы, как меняют лампы на высоких столбах освещения улиц города? Для этого используется подъемник, смонтированный на автомашине и поднимающий монтера наверх, так что ему достаточно протянуть руку и вывернуть перегоревшую лампу. Образно говоря, примесь фосфора играет роль подъемника и подносит электроны к краю зоны проводимости, куда они «без труда перескакивают» (рис. 29). Это как раз те пятые «липкие» электроны, которые легко отрываются от атома фосфора. Значит, на модели энергетических уровней электронного иол у провод пика мы вблизи границы зоны проводимости должны изобразить уровни, на которых находятся пятые электроны примесных атомов. Такие уровни также назвали донорными — «отдающими». Мы изобразили их на диаграмме штрихами. На этой диаграмме условно представлено 16 свободных электронов — основных носителей заряда и только две дырки — неосновные носители заряда в полупроводнике n-типа.


Примесная проводимость полупроводников. электронные полупроводники, статьи для начинающих


Никогда не забывайте о существовании неосновных носителей заряда. Хотя их число мало по сравнению с числом основных носителей, они в ряде случаев играют далеко не последнюю роль. Но об этом позднее.

Что покажет опыт Холла, гели в качестве образца использовать электронный полупроводник? Он зарегистрирует факт образования тока в образце (в первичной цепи) отрицательно заряженными частицами. В каком же случае мы обнаружим движение положительно заряженных частиц? К этому случаю, мы теперь и перейдем.




Похожие записи

Фотоны нарушают равновесие в полупроводнике. Чувствителен ли полупроводник к потоку фотонов? Пусть собственный полупроводник (примесей нет!) долгое время находится при комнатной температуре...

читать далее

Как ни могуществен этот маленький волшебник — транзистор, но и у него есть недостатки.

читать далее

Как магнитное поле помогает разгадать знак движущегося заряда? Вернемся в привычную нам область комнатных температур и ознакомимся еще с одним интересным отличием полупроводников от металлов.

читать далее