Донорные полупроводники

Подвижность. В примесных полупроводниках носители заряда рассеиваются не только на фононах, но и на ионизованных атомах примесей. Например, в донорном полупроводнике свободные электроны, движущиеся вблизи иона примеси, заряженного положительно, изменяют свою траекторию так, как показано на рис. 7.21. Ясно, что чем выше скорость электрона, тем меньше его отклонение. Расчеты показывают, что подвижность, обусловленная рассеянием на ионизованной примеси, в случае невырожденного электронного газа [c.253]

В полупроводниках с высоким содержанием примеси в области низких температур проявляется специфический механизм проводимости, получивший название проводимости по примесной зоне. Предположим, что мы имеем донорный полупроводник с такой 254 [c.254]

Помимо основных, полупроводники содержат всегда и неосновные носители, появляющиеся в результате межзонной тепловой генерации донорный полупроводник — дырки, дырочный полупроводник — электроны. Концентрация их, как правило, значительно ниже концентрации основных носителей. Легко установить связь между ними. Для этого рассмотрим невырожденный полупроводник, например, донорного типа. Основными носителями в нем являются электроны. Их концентрация описывается формулой (6.7). Неосновными носителями являются дырки, концентрация которых определяется формулой (6.8). Умножая (6.7) на (6.8), получаем [c.170]

Диффузионный метод (диффузионные р-н-переходы). Электронно-дырочный переход может быть получен также диффузией акцепторной примеси в донорный полупроводник или донорной примеси в акцепторный полупроводник. Диффузию можно вести из газообразной, жидкой или твердой фазы. Глубина проникновения примеси и залегания р—/г-перехода определяется температурой и вре- [c.218]

Рис. 9.2. Зависимость термо-э. д. с. акцепторного и донорного полупроводников от температуры

В нижней части рис, 9.2 показана кривая изменения термо-э. д. с. донорного полупроводника с температурой. В области собственной проводимости она сливается с кривой для р-полупровод-ника. [c.262]

Температурная зависимость удельного сопротивления полупроводника, в который добавлено небольшое количество примеси, показана на рис. 5.7 [12]. На практике в полупроводнике всегда присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси, и разработчик полупроводниковых термометров сопротивления может лишь выбирать соотношение между теми и другими. Для описания процессов проводимости рассмотрим германий, содержащий донорные атомы мышьяка в концентрации N(1 и какие-либо акцепторные атомы в концентрации Л а-На рис. 5.7 можно выделить четыре температурных диапазона, в каждом из которых преобладает какой-либо один механизм проводимости". В высокотемпературном диапазоне [I] проводимость обусловлена главным образом электронами, термически возбужденными из валентной зоны в зону проводимости согласно уравнению (5.8), поскольку все примесные атомы давно уже ионизованы. Это область собственной проводимости для германия она начинается чуть выше 400 К. Этот диапазон не представляет особого интереса для германиевых термометров сопротивления. [c.198]

Донорные и акцепторные примеси. Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов — донорные и акцепторные. Если, например, в кристалле кремния имеется примесь атомов мышьяка, то эти атомы замещают в узлах кристаллической решетки атомы кремния. Пятивалентный атом мышьяка вступает в ковалентные связи с четырьмя атомами кремния, а его пятый электрон оказывается незанятым в связях (рис. 155). [c.155]

Если в полупроводник введена донорная или акцепторная примесь, то при низких температурах, когда энергии тепловых колебаний недостаточно для переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости, свободные носители заряда могут появиться [c.250]

Ясно, что увеличение температуры приводит в конце концов к тому, что все электроны с донорных уровней, переходят в зону проводимости, а дальнейший рост Т вызывает соответствующее увеличение концентрации собственных носителей. До тех пор, пока собственной проводимостью можно пренебречь, для электропроводности электронного полупроводника можно написать [c.251]

В то же время, при наличии в диэлектрике примесных атомов, свободные носители заряда могут появиться за счет термической активации примесных уровней. Вследствие этого при нормальных и низких температурах проводимость в диэлектриках имеет примесный характер. Так же, как и в полупроводниках, носителями заряда здесь могут быть электроны и дырки. Если примесь имеет донорный характер, то основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки. Такой диэлектрик (по аналогии с полупроводником) называют электронным или диэлектриком п-типа. Если же примесь акцепторная, то основными носителями являются дырки. В этом случае диэлектрик называют дырочным или р-типа. [c.272]

Примесное поглощение наблюдается в полупроводниках и диэлектриках, содержащих примесные атомы. В этом случае поглощение света связано с возбуждением примесных центров или с их ионизацией. Например, в материале л-типа электроны с донорных уровней могут быть возбуждены в зону проводимости. Если доноры (или акцепторы) вносят в запрещенную зону мелкие уровни, то наблюдать примесное поглощение можно лишь при достаточно низких температурах. Действительно, в области высоких температур все эти уровни ионизованы за счет термического возбуждения. Так как энергия ионизации примесных уровней меньше, чем энергия, требуемая для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то полосы примесного поглощения лежат за краем собственного поглощения. [c.312]

Рис. 11.11. Механизм компенсации донорных уровней в аморфном полупроводнике

В отличие от кристаллического полупроводника, где при комнатной температуре электроны с мелких донорных уровней переходят в зону проводимости, здесь они перейдут, в основном, на локализованные состояния вблизи уровня Ферми. При высокой плотности состояний это приводит к незначительному смещению уровня Ферми из положения Ер в положение и электрические свойства полупроводника практически не изменятся. Новое положение уровня Ферми может быть найдено из условия [c.365]

Как показал И. Е. Тамм, вблизи поверхности кристаллического образца возникают дополнительные энергетические уровни, обусловленные нарушением трансляционной симметрии кристаллической решетки вследствие ее обрыва поверхностные состояния или, иначе, уровни Там-ма). В полупроводнике эти состояния локализуются внутри запрещенной зоны. Они могут либо отдавать, либо принимать электроны, в результате чего на поверхности полупроводника образуется заряд того или иного знака, приводящий к изгибу энергетических зон в приповерхностном слое. Если полупроводник содержит донорные примеси (п-полупроводник), то в этом случае электроны будут переходить от примесей на поверхностные уровни в результате поверхность полупроводника зарядится отрицательно, а внутри полупроводника вблизи его поверхности возникнет положительный объемный заряд. Это приводит к изгибу зон, показанному на рис. 7.5, б. Изгиб происходит в пределах слоя толщиной обычно не более 10 м значительная же часть фотоэлектронов зарождается глубже — на расстояниях примерно до 10 —10 м от поверхности. Для таких электронов энергия электронного сродства х и соответственно порог фотоэффекта W увеличиваются на некоторую величину ЬЕ (см. рисунок). Более интересен в практическом отношении случай, когда полупроводник содержит акцепторные примеси (р-полупроводник). В нем электроны будут переходить с поверхностных уровней на примеси, поверхность будет заряжаться положительно, изгиб зон будет иметь вид, показанный на рис. 7.5, в. В данном случае благодаря изгибу зон происходит снижение порога внешнего фотоэффекта. [c.166]

Если на поверхность полупроводника адсорбировать в виде тонкой пленки (толщиной порядка 10" м) электроположительные атомы, создающие дополнительные поверхностные уровни донорного типа, то можно еще сильнее снизить порог фотоэффекта. Используя сильнолегированный р-полупроводник, можно получить в данном случае фото- [c.166]

Концентрации носителей Па и ра называют равновесными они устанавливаются при наличии термодинамического равновесия. В таком полупроводнике скорость тепловой генерации носителей заряда (генерации за счет теплового возбуждения) равна скорости их рекомбинации. Поэтому По и ро остаются постоянными при неизменной температуре. В собственном беспримесном полупроводнике Па=Ро, носители генерируются и рекомбинируют парами. В примесных полупроводниках с донорными примесями (п-полупроводниках) По>ро, а в полупроводниках с акцепторными примесями (р-полупроводниках) п <ро, здесь наряду с парными процессами происходят также одиночные процессы генерации и рекомбинации носителей. Определяемая выражением (7.3.1) проводимость Оо называется равновесной. Она обусловливает электрический ток, возникающий в неосвещенном полупроводнике при приложении к нему раз-и сти потенциалов (так называемый темповой ток). [c.174]

Квантовый выход внутреннего фотоэффекта. Предположим теперь, что полупроводник освещается монохроматическим светом, частота которого выше пороговой частоты для внутреннего фотоэффекта. Последняя определяется шириной запрещенной зоны в собственных полупроводниках и энергией ионизации донорных или акцепторных примесей в примесных полупроводниках. При поглощении фотонов электронами валентной зоны или примесных уровней будут происходить соответствующие квантовые переходы, приводящие к образованию дополнительных (неравновесных) носителей заряда, которые и обусловливают фотопроводимость. [c.176]

Легирование электронного полупроводника акцепторной примесью или полупроводника р-типа донорной примесью приводит к перераспределению носителей заряда между донорным и акцепторным уровнями (компенсация примесей). Введением компенсирующих примесей можно уменьшить число свободных носителей заряда и приблизить сопротивление примесного полупроводника к его собственному сопротивлению. При компенсации примесей осуществляется переход электронов с донорных уровней на акцепторные, что при достаточно низких температурах приводит к некоторому уменьшению числа свободных носителей заряда. [c.94]

Рассмотрим полупроводник, содержащий Nd донорных атомов (уровней) в единице объема. Предположим, что донорные уровни расположены в непосредственной близости от дна зоны проводимости, так что энергия ионизации примесей AEd очень мала по сравнению с шириной запрещенной зоны ДЕ (такой случай типичен, например, для германия AEd 0,01 эВ при ДЕ 0,75 эВ). Если уровень Ферми проходит ниже дна зоны проводимости, т. е. Ej < —коТ, то вследствие малости AEd практически все атомы примеси будут ионизированными и их электроны перейдут в зону проводимости. Выясним сначала, какова предельная концентраций примесей, при которой исходные предположения перестают быть справедливыми. [c.116]

Приведенные данные показывают, что электрические и оптические свойства аморфных полупроводников похожи на свойства кристаллических полупроводников, но не тождественны им. Это сходство, как показал специальный анализ, обусловлено тем, что энергетический спектр электронов и плотность состояний для ковалентных веществ, которым относятся полупроводники, определяются в значительной мере ближним порядком в расположении атомов, поскольку ковалентные связи короткодействующие. Поэтому кривые N (е) для кристаллических и аморфных веществ во многом схожи, хотя и не идентичны. Для обоих типов веществ обнаружены энергетические зоны валентная, запрещенная и проводимости. Близкими оказались и общие формы распределения состояний в валентных зонах и зонах проводимости. В то же время структура состояний в запрещенной зоне в некристаллических полупроводниках оказалась отличной от кристаллических. Вместо четко очерченной запрещенной зоны идеальных кристаллических полупроводников запрещенная зона аморфных полупроводников содержит обусловленные топологическим беспорядком локализованные состояния, формирующие хвосты плотности состояний выше и ниже обычных зон. Широко использующиеся модели кривых показаны на рис. 12.7 [68]. На рисунке 12.7, а показана кривая по модели (Мотта и Дэвиса, согласно которой хвосты локализованных состояний распространяются в запрещенную зону на несколько десятых эВ. Поэтому в этой модели кроме краев зон проводимости (бс) и валентной (ev) вводятся границы областей локализованных состояний (соответственно гл и ев). Помимо этого авторы модели предположили, что вблизи середины запрещенной зоны за счет дефектов в случайной сетке связей (вакансии, незанятые связи и т. п.) возникает дополнительная зона энергетических уровней. Расщепление этой зоны на донорную и акцепторную части (см. рис. 12.7, б) приводит к закреплению уровня Ферми (здесь донорная часть обусловлена лишними незанятыми связями, акцепторная — недостающими по аналогии с кристаллическими полупроводниками). Наконец, в последнее время было показано, что за счет некоторых дефектов могут существовать и отщепленные от зон локализованные состояния (см. рис. 12.7, в). Приведенный вид кривой Л (е) позволяет объяснить многие физические свойства. Так, например, в низкотемпературном пределе проводимость должна отсутствовать. При очень низких температурах проводимость может осуществляться туннелированием (с термической активацией) между состояниями на уровне Ферми, и проводимость будет описываться формулой (12.4). При более высоких температурах носители заряда будут возбуждаться в локализованные состояния в хвостах. При этом перенос заряда [c.285]

ЗОНЫ. Такие локальные уровни называются донорными (ДУ) (рис. 106). Следовательно, электронам легче перейти из локальной зоны в зону проводимости. Если такой переход осуществляется, в зоне проводимости появляются электроны и соответствующий кристалл ведет себя как полупроводник его электропроводимость не очень велика, и она увеличивается с температурой. [c.343]

При наличии даже небольшого количества примесей определенного вида электрические свойства чистого проводника резко меняются. Примеси одного вида приводят к появлению свободных электронов. Такой полупроводник называется донорным, или полупроводником п-типа. Примеси другого вида создают свободные [c.504]

График распределения плотности состояний собственного кристаллического полупроводника показан на рис. 4, а. В зоне проводимости и в валентной зоне такого полупроводника плотность состояний велика, а в запрещенной зоне — равна нулю. В запрещенной зоне электронного (рис. 4, б) и дырочного (рис. 4, в) кристаллических полупроводников появляется пик (заштрихован), соответствующий донорным или акцепторным уровням [c.9]

Легирование, применяемое для управления свойствами кристаллических полупроводников, в этом случае оказывается полностью-неэффективным. Действительно, плотность состояний донорных (или акцепторных) уровней, возникающих в запрещенной зоне полупроводника при его легировании примесью, остается много меньше плотности локализованных состояний, обусловленных дефектами. Поэтому донорные (акцепторные) уровни не оказывают серьезного влияния на свойства некристаллического материала. [c.13]

При введении в кремний атома элемента V группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (например, мышьяка As) четыре из пяти его валентных электронов вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов кремния и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон оказывается слабо связанным с ядром пятивалентного элемента, он легко отрывается и превращается в свободный электрон (рис. 3.5, в), дырки при этом не образуется. На энергетической диаграмме этот процесс соответствует переходу электрона с уровня доноров (f jj в свободную зону (рис. 3.5, г). Примесный атом превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом. Примесь этого типа называется донорной, а полупроводники, в которые введены атомы доноров, - электронными или п-типа электропроводности. В таких полупроводниках свободных электронов больше, чем дырок, и они обладают преимущественно электронной электропроводностью. [c.51]

На рис. 3.16 показана работа выхода из собственного, электронного и дырочного полупроводников. Из рисунка видно, что работа выхода из полупроводника, легированного акцепторной примесью, больше, чем легированного донорной примесью. [c.66]

Модели полупроводников с электронной и дырочной электропроводностью представлены на рис. 3.17, а. Основные носители заряда в полупроводнике п-типа - электроны - на рисунке обозначены знаком минус. Ионизированные атомы донорной примеси, будучи структурными элементами, не принимают участия в электропроводности. На рисунке они обозначены знаком плюс в кружке. Дырки, которые в электронном полупроводнике также имеют место,на рисунке не изображены, потому что они являются неосновными носителями заряда и концентрация их по сравнению с концентрацией электронов невелика. Аналогичные обозначения сделаны и для дырочного полупроводника. [c.67]

При наличии в полупроводнике примеси его оптическое поглощение может быть связано с ионизацией примеси или возбуждением электрона нейтральной примеси в кристалле. Это поглощение называют примесным. При ионизации примеси энергия поглощенного кванта света расходуется на переход с донорных уровней в зону проводимости и из валентной зоны на акцепторные уровни. [c.70]

Введение в полупроводник примесных атомов приводит к нарушению в нем стехиометрического состава и периодичности кристаллической решетки. Примеси вносят в структуру полупроводника дополнительные квантовые уровни, отличающиеся от зонной структуры уровней основного кристалла. В полупроводниках примеси в зависимости от их природы и природы полупроводников могут образовывать п- или р-проводимости. Примеси, образующие и-проводимость, должны иметь большую валентность, чем валентность, основного полупроводника примеси, создающие р-проводимость, должны иметь валентность меньшую по сравнению с валентностью основного полупроводника. Например, для четырехвалентного германия пятивалентные примеси As, Р, Sb и др. создают электронную проводимость, поскольку четыре атома примеси, занимая в кристаллической решетке германия определенные узлы, образуют ковалентные связи с соседними атомами германия, а избыточный (пятый) электрон внешней орбиты мышьяка остается свободным. Такие свободные электроны создают электронную проводимость. Примеси, освобождающие электроны, называются донорами, а соответствующие им энергетические уровни — донорными [c.282]

В области очень низких температур, когда ионизация примесных уровней перестает быть полной, уровень Ферми занимает промежуточное положение (конкретно для донорного полупроводника) между донорным уровнем и дно.м зоны проводимости. Общий ход изменения положения уровня Ферми с температурой внутри запрещенной зоны (в отсут-ств1ие Вырожяен1ия) пю,каза1Н на рис. 43, где пунктиром обозначено положение уровня Ферми в собственной области (а — донорный образец, б — акцепторный). [c.118]

Фотопроводимость. Внутренний фотоэффект, или фотопроводимость, — это явление возникновения внутри полупроводника избыточных носителей тока под действием освещения. В простейшем случае собственного полупроводника излучение возбуждает валентные электроны в зоне проводимости, где они находятся в свободном состоянии и могут участвовать в процессе переноса заряда. Вклад в прО Зодимость дают также возникаюш,ие в валентной зоне дырки. В примесном полупроводнике -типа кроме собственного фотоэффекта возможно еще возбуждение электронов из связанных состояний на донорных центрах в зону проводимости. Аналогичным образом в полупроводниках р-типа возможно возбуждение электронов из валентной зоны на акцепторные уровни, создавая тем самым подвижные дырки. Характерно, что в обоих случаях" примесной фотопроводимости в кристалле генерируются свободные носители только одного знака. Так же, как и внешний фотоэффект, фотопроводимость проявляется в однородном материале в присутствии внешнего электрического поля. [c.346]

Здесь п — полная концентрация электронов Ап( с) — концентрация электронов в зоне проводимости. Из рис. 11.11 и выражения 11.15) следует, что примесную проводимость можно получить, если каким-либо способом удастся снизить плотность состояний в запрещенной зоне. Второй путь — ввести в полупроводник большое количество примесных атомов так, чтобы перекомпенсировать дефектные состояния. Все это, разумеется, возможно при условии, что примесные атомы образуют донорные (или акцепторные) уровни в запрещенной зоне. [c.365]

Примером простого донорного примесного центра в полупроводнике является кристалл кремния с одним атомным узлом, занятым атомом фосфора. Каждый атом в кристалле кремния образует ковалентные связи с четырьмя ближайшими соседями. Это означает, что атом фосфора обладает лишним валентным электроном, который не нужен для связи. Этот электрон непол1ностью свободен, так как ядро фосфора имеет больший положительный заряд, чем ядро атома кремния. Но лишний электрон связан со своим ядром недостаточно прочно, что позволяет ему перемещаться в окрестностях данного примесного центра. Для сохранения нейтральности примесного центра электрон должен л о к а- лизоваться в запрещенной зоне ниже дна зоны проводимости, т. е. электрон может перейти в нелокалйзованное бло-ховское состояние, получив дополнительную энергию не менее АЕй. Тогда донор становится ионизованным и ведет себя как локализованный положительный заряд. [c.92]

В первом случае атомы легирующей примеси имеют большее число валентных электронов, чем атомы полупроводника. Такую примесь называют донорной. Вследствие введения донорной примеси после образования химических связей примесного атома с окружающими его атомами полупроводника один валентный электрон оказывается лишним , т. е. не участвует в химических связях. Поэтому достаточно лишь небольшой энергии Ео (рис. 3, б), чтобы оторвать от примесного атома и сделать свободным этот валентный электрон, т. е. перевести его в зону проводимости. При этом образуется неском-пенсированный положительный заряд, который отличается от положительно заряженной дырки, способной перемещаться по кристаллу, тем, что остается неподвижным в кристаллической решетке. Легирование полупроводника донорной примесью увеличивает концентрацию электронов в зоне проводимости при неизменной концентрации дырок в валентной зоне. При этом электропроводность осуществляется в основном электронами, находящимися в зоне проводимости. Такие полупроводники называют электронными, или полупроводниками п-типа электропроводности. [c.8]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...