Какие носители тока являются основными в полупроводниках р типа

1.1.2. Полупроводники n — p типа

Чистые i — полупроводники практически не используют. В них специально вводят атомы других элементов (примеси) трехвалентных (алюминий, галлий, индий, бор) или пятивалентных (мышьяк, фосфор, сурьма) элементов или их соединений. При этом на 10 7 …10 8 атомов i — полупроводника вводят один атом примеси. Атомы пятивалентной примеси называются донорами: они увеличивают число свободных электронов. Каждый атом такой примеси добавляет один лишний электрон. При этом лишних дырок не образуется. Примесный атом в структуре полупроводника превращается в неподвижный положительно заряженный ион. Проводимость полупроводника теперь будет определяться в основном числом свободных электронов примеси. В целом такой тип проводимости называют проводимостью n–типа, а сам полупроводник – полупроводником n–типа.

При введении трехвалентной примеси одна из валентных связей полупроводника оказывается незаполненной, что эквивалентно образованию дырки и неподвижного отрицательно заряженного иона примеси. Таким образом, в этом случае увеличивается концентрация дырок. Примеси такого типа называются акцепторами, а проводимость, обусловленная введением акцепторной примеси, называют проводимостью р–типа. Полупроводник данного вида называют полупроводником р–типа.

Преобладающие носители заряда в полупроводнике называются основными. Так в полупроводнике n–типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки, а в полупроводнике р–типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Как видим, в отличие от проводимости проводников, в которых ток обусловлен направленным движением только электронов, в полупроводниках ток может быть обусловлен двумя типами носителей – электронами и дырками.

© Андреевская Т.М. Кафедра РЭ, МИЭМ, 2005.

Носители заряда в примесных полупроводниках

При производстве полупроводниковых приборов вместо чистых полупроводников используют примесные полупроводники. Введение примеси связано с необходимостью создания в полупроводнике преимущественно электронной либо дырочной электропроводности и увеличения электрической проводимости. В связи с этим различают соответственно электронные (n-типа) и дырочные (р-типа) полупроводники. Для получения полупроводника n-типа в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в полупроводнике только свободные электроны. Вводимая примесь является «поставщиком» электронов, в связи с чем, ее называют донорной.

Для германия и кремния, относящихся к IV группе Периодической системы элементов, донорной примесью служат элементы V группы (сурьма, фосфор, мышьяк), атомы которых имею пять валентных электронов. При внесении такой примеси атомы примеси замещают атомы полупроводника в отдельных узлах кристаллической решетки. Четыре электрона каждого атома примеси участвуют в ковалентной связи с соседними атомами исходного материала, а пятый электрон оказывается значительно слабее связанным со своим атомом (рис. 16). Для его превращения в свободный носитель заряда требуется меньшее количество энергии, чем для освобождения электрона из ковалентной связи. В результате приобретения дополнительной энергии «избыточный» электрон покидает атом и становится свободным, а атом примеси превращается в положительный ион.

Рис. 16 Возникновение свободного электрона в кристалле полупроводника n-типа

В условиях достаточно большой концентрации атомов примеси их ионизация создает некоторую концентрацию в кристалле полупроводника свободных электронов и неподвижных положительных ионов, локализованных в местах расположения атомов примеси. Слой полупроводника остается электрически нейтральным, если освободившиеся электроны не уходят за пределы слоя. При уходе электронов под действием каких-либо факторов в другие слои кристалла оставшиеся положительные ионы донорной примеси создают в данном слое нескомпенсированный положительный объемный заряд.

Концентрация свободных электронов в полупроводнике n-типа определяется преимущественно концентрацией введенной примеси , а не собственными электронами валентной зоны. В соответствии с этим концентрация электронов в полупроводнике — типа существенно выше концентрации дырок , образующихся в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Электроны в таком типе полупроводника являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.

В полупроводниках р-типа введение примеси направлено на повышение концентрации дырок. Задача решается использованием в качестве примеси элементов III группы Периодической системы (индий, галлий, алюминий, бор), атомы которых имеют по три валентных электрона. При наличии такой примеси каждый ее атом образует только три ковалентные связи с соседними атомами исходного полупроводника (рис. 17). Четвертая связь остается незаполненной. Недостающий валентный электрон принимается от одного из соседних атомов кристаллической решетки. Требуемая для такого перехода энергия невелика. Переход электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи соседнего атома, откуда ушел электрон и превращению атома примеси в неподвижный отрицательный ион. В результате за счет примеси достигается повышение концентрации дырок в полупроводнике. Атомы примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, называют акцепторными, а примесь — акцепторной.

Рис. 17 Возникновение дырки в кристалле полупроводника p-типа

В условиях достаточно большой концентрации атомов акцепторной примеси в кристалле полупроводника создается некоторая концентрация подвижных дырок и неподвижных отрицательных ионов. В нормальных условиях число дырок в полупроводнике p-типа остается равным числу отрицательных ионов, в слое сохраняется зарядная нейтральность. Если, вошедшие из других слоев электроны, заполнят некоторое число существующих дырок, в данном слое появится нескомпенсированный отрицательный объемный заряд, создаваемы ионами акцепторной примеси.

Концентрация дырок в валентной зоне определяется преимущественно концентрацией внесенной акцепторной примеси , а не дырками, возникающими при термогенерации носителей заряда за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны. В соответствии с этим концентрация дырок в полупроводнике p-типа существенно больше концентрации свободных электронов . Дырки в этом случае являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными.

Необходимая для создания полупроводников n и p-типа примесь вносится в количестве, при котором концентрация основных носителей заряда существенно (на два-три порядка) превышает концентрацию неосновных носителей заряда. В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с чистым полупроводником в десятки и сотни тысяч раз.

Характерной особенностью примесных полупроводников является то, что произведение концентраций основных и неосновных носителей заряда при данной температуре является постоянной величиной и определяется соотношением:

(11)

где собственные концентрации носителей заряда в чистом полупроводнике.

Зависимость концентрации носителей заряда от температуры накладывает ограничения на температурный диапазон применения полупроводниковых приборов. Рабочий диапазон температур характеризуется существенным превышением в примесных полупроводниках кноцентрации основных носителей заряда над неосновными ( и ) при концентрации основных носителей заряда, близкой к концентрации внесенной примеси ( и ).

При температурах, превышающих верхний температурный предел, число носителей заряда, создаваемых в кристалле при термогенерации за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны резко возрастает. При этом может оказаться, что электрическая проводимость в полупроводнике будет определяться не концентрацией внесенной примеси, а концентрацией собственных носителей заряда. Верхний температурный предел зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника и составляет для германии 75-85 0 С, а для кремния 150-170 0 С. При этом преимущество кремния на германием очевидно.

При температуре ниже рабочего диапазона основную роль в создании тока играют основные носители заряда, уменьшение концентрации которых за счет уменьшения количества ионизированных атомов примеси вызывает уменьшение электрической проводимости. Нижний температурный предел работы полупроводниковых приборов составляет -55 до -60 0 С.

Носители заряда

Носители заряда — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока.

Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы-носителя заряда является дырка.

Чаще всего термин «носители заряда» применяется в физике твёрдого тела и физике полупроводников.

Носители заряда в полупроводниках

В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника. Те носители, концентрация которых выше, называют основными носителями заряда, а носители другого типа — неосновными.

Если концентрация электронов значительно превосходит концентрацию дырок, то такой полупроводник называют полупроводником n-типа проводимости. В этом случае основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями — дырки.

Соответственно, если концентрация дырок выше, чем электронов, то полупроводник называют полупроводником p-типа. В нем основными носителями являются дырки, а неосновными носителями — электроны.

Концентрация равновесных носителей заряда в полупроводнике определяется только температурой образца и концентрацией легирующих примесей. Под действием внешних воздействий (инжекция, облучение образца светом, ионизирующими частицами или ионизирующим излучением) в полупроводнике возникают неравновесные носители заряда, и полная концентрация носителей заряда увеличивается.

• Электричество
• Физика полупроводников

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Балашов, Дмитрий Михайлович
• Научно-исследовательский институт теории архитектуры и градостроительства

Полезное

Смотреть что такое «Носители заряда» в других словарях:

• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока) заряженные частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В газе носители заряда электроны и ионы. Чаще всего термин носители заряда применяется в физике твердого тела. В… … Большой Энциклопедический словарь
• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА, заряженные частицы, обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В ионизированных газах носители заряда электроны и ионы; в твердых телах электроны проводимости и дырки; в электролитах ионы … Современная энциклопедия
• Носители заряда — НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА, заряженные частицы, обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В ионизированных газах носители заряда – электроны и ионы; в твердых телах – электроны проводимости и дырки; в электролитах – ионы. … Иллюстрированный энциклопедический словарь
• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока), общее название заряж. подвижных ч ц или квазичастиц, способных обеспечивать прохождение электрич. тока через в во. Чаще всего термин «Н. т.» применяется в физике твёрдого тела, где объединяет эл ны проводимости и дырки (см.… … Физическая энциклопедия
• носители заряда — (носители тока), заряженные частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В газе носители заряда электроны и ионы. Чаще термин «носители заряда» применяется в физике твёрдого тела.… … Энциклопедический словарь
• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА В ТВЁРДОМ ТЕЛЕ — (носители тока) подвижные частицы или квазичастицы, участвующие в процессах электропроводности. Перенос заряда в твёрдых телах может осуществляться движением электронов и дырок из частично заполненных зон (см. Зонная теория), ионов ( диэлектрики) … Физическая энциклопедия
• Носители заряда — носители тока, общее название подвижных частиц (или квазичастиц (См. Квазичастицы)), несущих электрический заряд и способных обеспечивать прохождение электрического тока через данное вещество. Чаще всего этот термин применяется в физике… … Большая советская энциклопедия
• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока), заряж. частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрич. тока через данное в во. В газе Н.з. электроны и ионы. Чаще термин Н. з.» применяется в физике тв. тела. В твердотельных проводниках Н.з. электроны… … Естествознание. Энциклопедический словарь
• неосновные носители заряда полупроводника — неосновные носители Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике меньше, чем концентрация основных носителей заряда. [ГОСТ 22622 77] Тематики материалы полупроводниковые Синонимы неосновные носители … Справочник технического переводчика
• равновесные носители заряда полупроводника — равновесные носители Ндп. тепловые носители Носители заряда, возникновение которых явилось следствием тепловых колебаний кристаллической решетки полупроводника в условиях термодинамического равновесия. [ГОСТ 22622 77] Недопустимые,… … Справочник технического переводчика

• Обратная связь: Техподдержка, Реклама на сайте

• �� Путешествия

Экспорт словарей на сайты, сделанные на PHP,
WordPress, MODx.

• Пометить текст и поделитьсяИскать в этом же словареИскать синонимы
• Искать во всех словарях
• Искать в переводах
• Искать в ИнтернетеИскать в этой же категории

Какие носители тока являются основными в полупроводниках р типа

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 ΔЕ_D = 0,013 эВ (рис 7). Так как эта ΔЕ_D < 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 = I_эп + I_эс + I_дс.
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 ΔЕ_А =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 = I_дп + I_эс + I_дс.
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.

© Н.В. Смирнов. 2020.