Примесные полупроводники

Увеличить электропроводность полупроводника можно путем введения примесей, увеличивая тем самым концентрацию дырок или электронов. Такой полупроводник называется примесным. Номинальная концентрация примеси составляет 10¹⁶…10¹⁸ атомов примеси в 1 см³ основного вещества. Предельная концентрация примеси составляет 10¹⁹…10²¹ 1/см³, при этом происходит разрушение кристаллической решётки, полупроводник приобретает свойства проводника и называется вырожденным.

В примесном ПП число электронов не равно числу дырок. Основные носители заряда (ОНЗ) - концентрация которых преобладает в данном ПП;

Неосновные носители заряда (ННЗ) - концентрация которых на несколько порядков ниже ОНЗ.

Полупроводник N-типа – это полупроводник с пятивалентной донорной примесью, для которого N_n >> P_n и основными носителями заряда являются электроны. Примесь, отдающая электроны, называется донорной. В качестве примеси (донора) могут использоваться следующие элементы: As; Sb; P. При добавлении пятивалентной примеси четыре валентных электрона основного вещества вступают в ковалентные связи с четырьмя электронами примеси, один электрон останется свободным.

На рисунке 1.4 изображены плоскостная схема кристаллической решетки Si с пятивалентной примесью и энергетическая диаграмма примесного ПП с N -проводимостью.

а б

Рисунок 1.4 а - ПП с пятивалентной примесью; б – энергетическая диаграмма

В примесном ПП два процесса приводят к образованию основных носителей заряда (в данном случае электронов): генерация пар НЗ в атоме ПП и ионизация атомов примеси.

ΔW_д – энергия ионизации донора.

Неосновные носители заряда получаются только в процессе генерации.

Полупроводник P-типа – это полупроводник с трехвалентной примесью (акцепторной), для которого:

P_p»N_p и основными носителями заряда являются дырки. Примесь, принимающая электроны, называется акцепторной.

В качестве примеси (акцептора) используются элементы In, Al, B. При добавлении трёхвалентной примеси, три валентных электрона примеси вступают в ковалентные связи с тремя электронами основного вещества, одна связь останется незаполненной.

На рисунке 1.5,а изображена плоскостная схема кристаллической решетки Si с трехвалентной примесью, а на рисунке 1.5,б – энергетическая диаграмма.

а б

Рисунок 1.5. а – ПП с трехвалентной примесью;

б – энергетическая диаграмма

ΔW_а – энергия ионизации акцептора Проводимость примесного полупроводника имеет нелинейную зависимость от приложенного напряжения и температуры. Эти свойства полупроводника используются в термисторах и варисторах (рисунок 1.6).

Термистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от температуры.

Варистор – полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения.

t⁰

U

а б

Рисунок 1.6. Условное графическое обозначение (УГО) термистора (а) и варистора (б)

Выводы. 1. Введение в полупроводник незначительного количества примеси резко повышает его электропроводность. 2. Примеси пятивалентных элементов вызывает преобладание числа электронов над числом дырок. Такой полупроводник принято называит N- полупроводником или проводником с электронной проводимостью. Свободные электроны в таком полупроводнике являются основными, а дырки-неосновными носителями заряда. 3. В полупроводнике с примесью трехвалентного элемента число дырок преобладает над числом свободных электронов, и поэтому его называют P -полупроводником или полупроводником с дырочной проводимостью. Дырки в таком полупроводнике являются основными, а свободные электроны-неосновными носителями заряда.

Контрольные вопросы:

1. Обьясните сущность ковалентной связи.

2. Что в теории полупроводников принято называть «дыркой»?

3. Поясните сущность процессов ионизации и рекомбинации.

4. Что означают понятия валентная зона и запрещенная зона в зонной теории проводимости?

5. Что такое N -полупроводник и как его получают?

6. Что такое P -полупроводник и как его получают?

7. Обьясните механизм образования электронной и дырочной составляющих тока в полупроводнике.

Дата добавления: 2014-11-16