Для чего в полупроводники вводят примесь
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.
1.5. Примесные полупроводники
В полупроводниках, состоящих из атомов одного химического элемента, примесями являются чужеродные атомы, которые замещают часть основных атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки.
В полупроводниках, состоящих из атомов нескольких химических элементов, примесями могут быть как чужеродные атомы, так и избыточные по отношению к стехиометрическому составу атомы химических элементов, образующих сложный полупроводник.
Механизм примесной электропроводности зависит от типа используемой примеси.
Рассмотрим кристалл кремния, в котором часть основных атомов кристаллической решетки замещена примесными атомами фосфора. У атома фосфора пять валентных электронов, четыре из которых участвуют в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый электрон оказывается избыточным. Из-за большой диэлектрической проницаемости полупроводника кулоновское притяжение избыточного электрона ядром фосфора в значительной мере ослаблено, поэтому радиус орбитали избыточного электронаоказывается большим и может доходить до несколько межатомных расстояний (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Внедрение донорной примеси в кристалл кремния
Минимальная энергия, которую необходимо сообщить избыточному электрону донорной примеси, чтобы сделать его свободным, называется энергией ионизации донорной примеси. Энергию ионизации донорной примеси можно оценить на основе простой модели, подобной боровской модели водородоподобного атома. Согласно этой модели избыточный электрон примесного атома движется по круговой орбите в кулоновском поле сил положительного иона, ослабленном диэлектрическими свойствами кристалла полупроводника. Учитывая относительную диэлектрическую проницаемость ε полупроводника и используя в качестве массы электрона его эффективную массу в кристалле, получим выражение для энергии ионизации донорной примеси:
Энергии ионизации других донорных примесей в кремнии и германии являются величинами того же порядка, что и для фосфора (см. табл. 1.1).
Значение энергии ионизации пятивалентных примесей в германии и кремнии
Значения энергии ионизации трехвалентных примесей в германии и кремнии
Рис. 1.14. Внедрение акцепторной примеси в кристалл кремния
Минимальная энергия, необходимая атому-акцептору, чтобы захватить у соседнего атома кристаллической решетки электрон, недостающий для образования устойчивой электронной оболочки, называется энергией ионизации акцепторной примеси.
Численно величина энергии ионизации акцепторной примеси близка к энергии ионизации донорной примеси (см. табл. 1.2).
Полупроводник, у которого концентрации донорной и акцепторной примесей равны, называется скомпенсированным полупроводником. Скомпенсированный полупроводник имеет такую же удельную проводимость, как и собственный, но отличается от последнего рядом электрофизических параметров, поскольку наличие примесей вызывает искажения кристаллической решетки.
С точки зрения модели энергетических зон примеси или дефекты кристаллической решетки создают энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне, разделяющей валентную энергетическую зону и зону проводимости. Процентное содержание примесных атомов обычно очень мало, а расстояния между ними достаточно велики, следовательно, по отношению друг к другу их можно рассматривать как изолированные атомы, энергетические уровни которых не расщепляются и не образуют энергетических зон.
Донорная примесь образует локальный энергетический уровень (донорный уровень), расположенный в запрещенной энергетической зоне вблизи дна зоны проводимости, занятый в невозбужденном состоянии электроном. При возбуждении донорная примесь отдает электрон в зону проводимости. Расстояние между донорным уровнем и дном зоны проводимости равно энергии ионизации донорной примеси.
Акцепторная примесь образует локальный энергетический уровень (акцепторный уровень), расположенный в запрещенной энергетической зоне вблизи потолка валентной зоны, свободный от электрона в невозбужденном состоянии. При возбуждении акцепторная примесь захватывает электрон из валентной зоны. Расстояние между акцепторным уровнем и потолком валентной зоны равно энергии ионизации акцепторной примеси.
С увеличением концентрации примесей расстояния между примесными атомами уменьшаются и их энергетические уровни постепенно превращаются в примесные энергетические зоны. При достижении определнной концентрации примесей примесные энергетические зоны сливаются с ближайшими энергетическими зонами кристалла, в результате чего образуется зонная структура, близкая к зонной структуре металлов. Такой примесный полупроводник называют вырожденным полупроводником или полуметаллом.
Некоторые примеси обладают сравнительно высокой энергией ионизации и образуют энергетические уровни, расположенные вблизи середины запрещенной зоны (например, золото в кремнии). Введение таких примесей существенно облегчает как генерацию, так и рекомбинацию свободных электронов за счет двухступенчатых переходов из одной разрешенной зоны на примесный уровень и с примесного уровня в другую разрешенную зону. Энергетические уровни примесей с высокой энергией ионизации называют генерационно-рекомбинационными центрами.
Существуют примеси, создающие энергетические уровни (ловушки), расположенные вблизи середины верхней или нижней половин запрещенной зоны. Такие уровни в отличие от генерационно-рекомбинационных центров захватывают носители из ближайшей разрешенной энергетической зоны и через некоторое время отдают их в ту же зону, поскольку расстояние до другой разрешенной зоны значительно больше.
Следует отметить, что многие примеси создают в запрещенной зоне по 2-3 уровня.
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.
Собственная и примесная проводимость полупроводников
Собственная и примесная проводимость полупроводников
В валентной зоне освобождаются квантовые состояния, которые электронами не заняты. Эти состояния называют дырками. Они являются носителями тока.
Электроны способны совершать квантовые переходы в незаполненные состояния. Заполненные состояния в этом случае освобождаются, то есть становятся дырками. В результате чего можно наблюдать появление равновесной концентрации дырок.
При отсутствии внешнего поля ее значение одинаковое по всему объему проводника. Квантовый переход сопровождается его перемещением против поля. Он способен уменьшить значение потенциальной энергии системы. Переход, который связан с перемещением в направлении поля, способен увеличить потенциальную энергию системы. При наличии преобладания количества переходов против поля над переходами по полю через полупроводник начнет протекать ток по движению приложенного электрического поля. Незамкнутый полупроводник характеризуется течением тока до тех пор, пока электрическое поле не будет компенсировать внешнее. Конечный результат такой же, как если бы в качестве носителей тока были не электроны, а положительно заряженные дырки. Отсюда следует, что различают два вида проводимости полупроводников: электронная и дырочная.
Носителя тока в металлах и полупроводниках считаются электроны, а дырки введены формально. Дырки в качестве положительно заряженных частиц не существует. Но перемещение в электрическом поле такое же, как и при классическом рассмотрении положительно заряженных частиц. Небольшая концентрация электронов в зоне проводимости и дырки в валентной зоне позволяют применять классическую статистику Больцмана.
Дырочная и электронная проводимости не связаны с наличием примесей. Ее называют собственной электропроводностью полупроводников.
Если имеется идеально чистый проводник без примесей, то каждому освобожденному электрону при помощи теплового движения или света соответствовало бы образование одной дырки, иначе говоря, количество электронов и дырок, участвующих в создании тока, было бы одинаковое.
Существование идеально чистых полупроводников невозможно, поэтому при необходимости их создают искусственным путем. Даже наличие малого количества примесей способно повлиять на изменение свойств полупроводника.
Примесная проводимость полупроводников
Электропроводность полупроводников, вызванная наличием примесей атомов других химических элементов, называют примесной электрической проводимостью.
Небольшое их количество способно существенно влиять на увеличение проводимости. В металлах происходит обратное явление. Примеси способствуют уменьшению проводимости металлов.
Увеличение проводимости с примесями объясняется тем, что происходит появление дополнительных энергетических уровней в полупроводниках, находящихся в запрещенной зоне полупроводника.
Донорные и акцепторные примеси
Пусть дополнительные уровни в запрещенной зоне появляются около нижнего края зоны проводимости. Если интервал, отделяющий дополнительные уровни энергии от зоны проводимости, мал при сравнении с шириной запрещенной зоны, то произойдет увеличение числа электронов в зоне проводимости, значит, сама проводимость полупроводника возрастет.
Примеси, которые перемещают электроны в зону проводимости, называют донорами или донорными примесями. Дополнительные энергоуровни получили название донорных уровней.
Пусть с введением примеси возникают добавочные уровни около верхнего края валентной зоны. В этом случае электроны из этой зоны переходят на добавочные уровни. Валентная зона характеризуется появлением дырок, так как появляется дырочная электропроводность проводника. Примеси такого рода получили название акцепторных. Дополнительные уровни, располагаемые в них, называют акцепторными.
Вид проводимости, которым обладает полупроводник, определяют по знаку эффекта Холла.
Легирование – это процесс введение примесей. Если примесный уровень обладает высокой концентрацией, то происходит их расщепление. Перекрытие границ соответствующих энергетических зон считается результатом процесса.
Объяснить, к какому типу примеси относят атомы мышьяка, бора, находящихся в кристаллической решетке кремния.
При рассмотрении бора в качестве примеси для кремния видно, что атом бора имеет наружную оболочку, состоящую из трех электронов. Атом бора захватывает четвертый электрон из соседнего места, находящегося в кристалле кремния. Именно там происходит появление дырки. Отрицательный ион бора, появившийся в ней, вытесняет атом кремния из кристаллической решетки и занимает его место. Говорят о возникновении в нем дырочной проводимости. Бор считается акцепторной примесью.
Ответ: мышьяк – донорная примесь, бор – акцепторная.
Даны термоэлементы с протеканием тока от металла к полупроводнику и наоборот. Объяснить, почему это происходит.
По условию, электронная и дырочная проводимость проходит в горячем спае. Это объясняется тем, что на конце электронного полупроводника с высокой температурой скорость электронов намного больше, чем в холодном. Отсюда следует, что электроны имеют возможность проходить от горячего конца к холодному до возникновения по причине перераспределения зарядов электрического поля и не останавливать поток диффундирующих электронов.
Только после установления равновесного состояния горячему концу, который потерял все электроны, соответствуют положительные заряды, а холодному – отрицательные. Можно сделать вывод, что имеется разность потенциалов между горячим и холодным концами с положительным знаком.
Дырочный полупроводник характеризуется обратным процессом. Диффузия идет от горячего конца к холодному, причем первый из них обладает отрицательным зарядом, а холодный – положительным. Получаем, что разности потенциалов имеют отрицательное значение, в отличие от электронного полупроводника.