<<< ВСЕ МАТЕРИАЛЫ
<< Назад 11 класс.
Примесная проводимость полупроводников.
Задание 11-9-3.
Далее >>

ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

А пытливый ум ученика задаст вопрос: А что это так часто в предыдущем материале повторяется слово "чистые"? А, если полупроводники не чистые?
Примеси в чистом полупроводнике могут сильно влиять на его свойства. Например, при введении в кремний примерно 0,001 % атомов бора, проводимость кремния увеличивается примерно в 106 раз! Примеси позволяют получать необычные электронные эффекты, широко используемые сегодня в технике. Мы начнём с наиболее простого случая, когда к четырёхвалентному германию Ge"подмешивают" немного атомов трёхвалентного индия In, или пятивалентного мышьяка As. Сам процесс поиска этих легирующих добавок чрезвычайно интересен, но и технологии внедрения в кристалл примесей тоже весьма разнообразны и неординарны. Любители химии, не хотите ли шагнуть на передний край науки, выбрав в Вузе соответствующую специальность?

1. Добавим к атомам германия небольшое количество атомов мышьяка. Четыре из пяти валентных электронов мышьяка идут на образование ковалентной связи с соседними четырьмя атомами германия, а пятому не повезло, он остался один. Введение примеси искажает поле кристаллической решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетических уровней пятых электронов мышьяка. В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ΔЕD = 0,013 эВ (рис 7). Так как эта ΔЕD < kT, то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют.
Запомните, что как называют. В полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, основными носителями заряда являются электроны; возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами.
Вместе с тем, полупроводники есть полупроводники и процессы генерации небольшого количества собственных электронов и дырок никуда не исчез. Если такой полупроводник подключить к источнику тока, то в нём возникнет электрический ток за счёт основных носителей зарядов - электронов (эп) донорной примеси, а также неосновных носителей - электронов (эс) и дырок (дс): I = Iэп + Iэс + Iдс.
На рис. 7 мы видим, что при введении донорной примеси в чистый полупроводник чуть ниже по энергии зоны проводимости появляются дополнительные подуровни для пятых электронов примеси. Напоминаем, по вертикали отложена энергия электронов, а не расстояние до ядра. Поскольку атомы примеси малочисленны, то уровни эти не объединены в общую зону, а привязаны к своим атомам. Их отстояние от зоны проводимости так мало, что в подавляющем большинстве электроны с этих примесных уровней легко переходят в зону проводимости, становясь свободными (найдите их на рисунке 8), и могут участвовать в переносе заряда и образовании электрического тока. При этом дырок не образуется, ибо эти электроны не образуют ковалентную связь. Параллельно с этим происходит генерация тепловых электронов и дырок, а также обратный процесс их рекомбинации (сумейте это подробно разглядеть на рис. 8).
На рисунке 9. мы видим, что при включении электрического поля в примесном полупроводнике донорного типа основной ток создаётся примесными электронами (основные носители заряда, изображены черными тосками), а также в малой степени тепловыми дырками (не основными носителями заряда, изображены выколотыми точками). Для упрощения мы не стали изображать поток электронов в подводящих проводах, но это не значит, что в них тока нет. Также мы упрощённо изобразили перемещение дырок (на самом деле перемещение дырок есть результат перескока электронов от дырки к дырке, как мы видели раньше). Не основные носители рождаются спонтанно, а основные не рождаются, они уже есть из-за наличия приммесей.

2. Добавим к атомам германия небольшое количество атомов индия. Три валентных электрона индия идут на образование ковалентной связи с соседними тремя атомами германия, а для четвертой связи не хватило одного электрона - у индия их всего три. Введение трехвалентной примеси в решетку германия приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня, не занятого электронами. В случае германия с примесью индия этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии ΔЕА =0,08 эВ (рис. 10). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами индия, теряют способность перемещаться по решетке германия, т. е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне. Эти носители тока называются основными. Не забудем, кроме основных носителей в полупроводнике, конечно, имеются и неосновные носители: I = Iдп + Iэс + Iдс.
Запомните, что как называют. В полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомом, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проводимость р-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками р-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами.
На рис.10 мы видим, что чуть выше валентной зоны появляются подуровни для четвёртыз электронов примеси, но поскольку этих четвёртых нет в природе акцепторной примеси, то они остаются незаполненными, образуются дырки. Место для электронов есть, а электронов на них нет). Поскольку эти уровни лежат близко к валентной зоне, электронам из неё не стоит труда перескочить выше, заняв свободные места на примесных уровнях. Но тогда на их старом месте образуется новая дырка.
И хотя дырки, как мы уже знаем, привязаны к своим атомам также, как электроны, находящиеся на примесных уровнях, мы также помним, что дырки могут виртуально перемещаться за счёт перескока электронов от дырки к дырке, ведь это почти не требует дополнительной энергии.
На рис 11 сумейте понять, что с ними происходит, соотнеся описанные выше процессы с событиями на рисунке, где работают примесные уровни, а где генерация - рекомбинация под действием температуры.
Заметим, электроны на примесных уровнях никуда сдвинуться не могут, разве что опуститься по энергии вниз, рекомбинируя с подвернувшейся дыркой.
Так образуется дырочный ток в акцепторном проводнике (см. рис. 12). Перемещение дырок здесь ещё раз показано подробно, как рождение новой пары дырка-электрон и заполнение старой дырки на пути движения электрона. Перескакивая от одной дырки к другой, электрон движется в одну сторону, а дырка как бы в другую. Неосновные носители, возникающие из-за теплового движения атомов в небольшом количестве, также участвуют в переносе электрического заряда.

Напоследок глоссарий для точного понимания и правильного словоупотребления.
Дырка — это способ описания коллективного движения большого числа электронов в не полностью заполненной валентной зоне.
Электрон — это частица, дырка — это квазичастица. Электрон можно инжектировать (реально добыть) из полупроводника или металла наружу (например, с помощью фотоэффекта), дырка же может существовать только внутри полупроводника.
Легирование — введение примеси в полупроводник, в этом случае полупроводник называется примесным.


Счастливых открытий!

А к чему это всё?, Ну, примеси, ну, проводимость... А вот тут-то и начинается самое интересное. Ищите его на следующей странице!. А пока проверьте себя, как вы усвоили тему. Правильные ответы будут отмечены зелёной птичкой, а неправильные красным крестиком, когда вы в конце нажмёте кнопку "Отвечаю". Дробные числа вводятся через точку.

1. Какими частицами создается электрический ток в металлах?
1) электронами и положительными ионами;
2) положительными и отрицательными ионами;
3) протонами и электронами;
4) положительными и отрицательными ионами и электронами;
5) среди этих ответов нет правильного.
Ответ №:
2. Какие частицы создают электрический ток в чистых полупроводниках?
1) электроны.
2) дырки.
3) ионы и электроны.
4) электроны и дырки.
5) положительно или отрицательно заряженные ионы.
Ответ №:
3. Какими частицами создается электрический ток в примесных полупроводниках n-типа?
1) электронами и дырками;
2) положительными и отрицательными ионами;
3) протонами и электронами;
4) положительными и отрицательными ионами и электронами;
5) среди этих ответов нет правильного.
Ответ №:

4. Каковы основные частицы, создоющие электрический ток в примесных полупроводниках р-типа?
1. электроны;
2. дырки;
3. электроны и дырки;
4. среди этих ответов нет правильного.
Ответ №:
5. Если в запрешенной зоне кремния создан примесный уровень вблизи потолка валентной зоны, то такой кристалл будет иметь проводимость...
1. дырочную;
2) донорную;
3) собственную;
4) электронную.
Ответ №:
6. Кремний, легированный атомами с тремя валентными эдектронами, является полупроводником...
1) донорным;
2) n-типа;
3) p-типа;
4) собственным.
Ответ №:
7. Донорые и акцепторные полупроводники различаются друг от друга в первую очередь по...
1) концентрации основных носителей тока;
2) ширине запрещенной зоны;
3) величине эффективной массы носителей зарядов;
4) величине подвижности носителей заряда;
5) знаку основных носителей заряда.
Ответ №:
8. Как соотносятся между собой ток дырок Iд и ток электронов Iэ в полупроводнике р-типа?
1) Iэ = Iд.
2) Iэ < Iд.
3) Iэ > Iд.
4) Iэ = 0.
Ответ №:
9. Вопрос по рисунку 9, где движение дырки показано упрощённо. Как вы думаете, какова на самом деле дальнейшая судьба дырок, когда они в своём движении подходят к краю полупроводника?
1) Дырки исчезают.
2) Дырки переходят в провод, идущий от полупроводника к источнику тока.
3) Дырки заполняются электронами и перестают существовать.
4) Дырки переходят на другой конец полупроводника, чтобы начать снова двигаться по направлению вектора напряженности электрического поля.
Ответ №:
10. Как вы думаете, куда деваются дырки от бубликов, когда их съедают?
1) Дырки съедаются вместе с бубликом.
2) Бублик съедают, а дырка от бублика остаётся.
3) Дырка перестаёт существовать, понятие дырки не существует без бублика.
Ответ №:
11. Участвуют ли электроны донорной примеси в переносе электрического заряда?
1) Да, участвуют, поскольку они являются свободными.
2) Нет, не могут участвовать.
3) Некоторые из них могут принимать участие в переносе электрического заряда.
Ответ №:
12. Участвуют ли электроны акцепторной примеси в переносе электрического заряда?
1) Да, участвуют, поскольку они являются свободными.
2) Нет, не могут участвовать.
3) Некоторые из них могут принимать участие в переносе электрического заряда.
Ответ №:
Ответив на все вопросы, нажмите кнопку "Отвечаю" (см. ниже) для проверки результата. Для тех вопросов, на которые вы ответили неправильно, повторите необходимые наблюдения, более внимательно прочтите текст, чтобы найти правильный ответ.





© Н.В. Смирнов. 2020.