Уровни донорные в полупроводниках

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]

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]

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]

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]

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]

Рис. 6.6. Зонная структура (а) н изменение положения уровня Ферми с изменением концентрации примесей (б) в полупроводниках, содержащих одновременно донорную и акцепторную примеси

Понятие о неравновесных носителях. При температуре, отличной от абсолютного нуля, в полупроводнике происходит тепловое возбуждение генерация) свободных носителей заряда. Если бы этот процесс был единственным, то концентрация носителей непрерывно возрастала бы с течением времени. Однако вместе с процессом генерации возникает процесс рекомбинации электроны, перешедшие в зону проводимости или на акцепторные уровни, вновь возвращаются в валентную зону или на донорные уровни, что приводит к уменьшению концентрации свободных носителей заряда. Динамическое равновесие между этими процессами при любой температуре приводит к установлению равновесной концентрации носителей, описываемой формулами (6.7) и (6.8). Такие носители называются равновесными. [c.171]

Положение уровня Ферми в примесных полупроводниках зависит как от концентрации примеси, так и от того, является ли примесь донорной или акцепторной. В случае донорной примеси (я-полупроводник) имеет место переход электронов донорных атомов в зону проводимости при этом концентрация электронов возрастает, что приводит к возрастанию энергии Ферми Wp и смещению уровня Ферми вверх, к зоне проводимости. Чем больше концентрация доноров, тем большее количество электронов переходит в зону проводимости и тем на большую величину смещается уровень Ферми. В случае введения в полупроводник акцепторных примесей (р-полупроводник) наблюдается обеднение электро- [c.58]

Для придания выращиваемым монокристаллам тех или иных электрофизических параметров, необходимых для успешного их использования в конкретных областях полупроводникового приборостроения, применяются процессы легирования определенными примесями. В настоящее время круг используемых в технологии важнейших полупроводниковых материалов легирующих примесей достаточно ограничен. Как правило, легирование осуществляется примесями, образующими мелкие донорные и акцепторные уровни в запрещенной зоне, соответственно у дна зоны проводимости или у потолка валентной зоны. При этом удается управляемо воздействовать на тип проводимости и концентрацию носителей заряда в полупроводнике. Иногда для легирования используются примеси, образующие глубокие уровни в запрещенной зоне, что позволяет воздействовать на диффузионную длину носителей заряда и регулировать степень компенсации электрически активных центров в легируемом материале. [c.46]

Явления, возникающие при добавлении в полупроводник донорных или акцепторных примесей, можно объяснить, предполагая, что каждый атом донора (или акцептора) приводит к появлению локального энергетического уровня в запрещенной зоне чуть ниже дна зоны проводимости (или чуть выше потолка валентной зоны), с которого электрон (или дырка) легко возбуждается при термической ионизации. [c.77]

В случае донорных уровней в полупроводнике gj — 2Nа, где — число донорных атомов, вызванных двукратным спиновым вырождением, и формула (13.5.11) дает для числа электронов %, занимающих донорные места, [c.323]

При температуре абсолютного нуля и в отсутствие внешнего воздействия на полупроводник его валентная зона полностью заполнена, зона проводимости пуста, локальные энергетические уровни донорной [c.52]

Сильное влияние примесей на проводимость полупроводников вызвано изменением энергетического спектра. При этом возможно два случая 1) если примесь представляет собой химический элемент более низкой группы периодической таблицы, чем сам полупроводник, то он создает дополнительные незанятые энергетические уровни, близкие к уровням занятой зоны 2) если примесью является элемент более высокой группы периодической таблицы, то она создает дополнительную занятую энергетическую зону, близкую к основной незанятой зоне. В первом случае примесь называют акцепторной—принимающей, во втором—до-норной — дающей. Смысл этих терминов заключается в следующем при наличии акцепторной примеси благодаря малой ширине запрещенной зоны между основной занятой зоной и незанятой зоной примесей легко осуществляется переход электронов из занятой зоны в зону примесей. В результате этого в занятой зоне образуется дырка , перемещение которой соответствует перемещению положительных носителей тока поэтому такую электропроводность называют дырочной , или электропроводностью типа р (положительной — позитивной). При наличии донорной примеси электроны из примесной зоны легко переходят в основную зону проводимости, создавая эффект обычной электронной электропроводности типа п (отрицательной — негативной). Схемы энергетических уровней в полупроводнике чистом, без примесей, а также с акцепторной и донорной примесью показаны на рис. 7-1, [c.276]

Схемы энергетических уровней в полупроводнике чистом, без примесей, а также с акцепторной и донорной примесью показаны на рис 5-1. [c.271]

Энергия ионизации при образовании дырки мала (ю сравнению с германия или кремния. Энергетический уровень, образующийся вследствие наличия примеси, показан на рис. 5-1-5,б, В этом случае образуется примесный незаполненный уровень, расположенный на 0,01—0,05 эВ выше верхней границы заполненной зоны. Уже при температуре, близкой к нормальной, незаполненный примесный уровень захватывает электроны из заполненной зоны, при этом в последней образуется дырка, обусловливающая проводимость. Примесный уровень в полупроводниках п-типа имеет смысл назвать уровнем, который снабжает зону проводимости электронами, и потому его называют донорным уровнем, В противоположность такому уровню незаполненный примесный уровень, который захватывает электроны из заполненной зоны, носит название акцепторного уровня. Полупроводники, подобные показанному на рис. 5-1-5, называют дырочными полупроводниками (р-типа), так как носителями заряда, обусловливающего проводимость, служат дырки—места с положительным зарядом. [c.311]

Зонная теория твердого тела наглядно объясняет и роль донорных и акцепторных примесей в полупроводниках. На рис. 1-26,а представлена энергетическая диаграмма собственного полупроводника без примесей (г-полупро водника) как уже отмечалось выше, для перехода из заполненной зоны в свободную электрон должен воспринять извне некоторое количество энергии (до 0,5 аДж). Если же мы имеем полупроводник с донорной примесью или /г-полупроводник (рис. 1-26,6) то благодаря наличию уровней донорной примеси, находящихся на сравнительно небольшом расстоянии (примерно [c.50]

В диэлектриках и полупроводниках разрешенные энергетические зоны разделены запрещенными зонами. При сообщении кристаллу дополнительной энергии электроны переходят в свободную зону, а в заполненной зоне образуется вакансия для электронов — так называемая дырка. Таким образом, появляются свободные носители тока. В реальных кристаллах возможно появление в запрещенных зонах дополнительных донорных и акцепторных энергетических уровней. Донорными уровнями называют такие уровни, которые в нормальном состоянии заполнены и служат поставщиками электронов в свободную зону. Акцепторные уровни в нормальном состоянии пусты и служат ловушками для электронов проводимости. [c.134]

Определим положение химического потенциала в полупроводнике, содержащем в полосе запрещенных состояний дискретные уровни примесных атомов. Предположим, что примесные атомы образуют в кристалле донорные уровни энергии расположенные под зоной проводимости на небольшом расстоянии В таком полупроводнике электроны в зоне проводимости появляются по двум причинам за счет перебросов с донорных уровней и за счет перебросов из валентной зоны. [c.158]

Изучение явлений с участием локализованных электронных уровней, возникающих, в частности, из-за наличия притягивающих примесей, которые захватывают электрон. Очень важный пример — теория донорных и акцепторных уровней в полупроводниках (гл. 28). [c.193]

Фиг. 28.12. Плотность уровней в полупроводнике, содержащем как донорные, так и акцепторные примеси.

Рассмотрим случай, когда носители попадают в сферически-симметричные зоны, т. е. ё (к) = К к /2т. (Для определенности будем рассматривать донорные примеси и отсчитывать к от минимума зоны проводимости.) Согласно формуле (31.69), парамагнитная восприимчивость пропорциональна плотности уровней ). Но плотность уровней пропорциональна эффективной массе электронов, поэтому восприимчивость Паули, связанная с носителями тока в полупроводнике, содержит множитель т 1т ). С другой стороны, восприимчивость Ландау увеличивается обратно пропорционально т, поскольку влияние поля на орбитальное движение электронов определяется величиной е (у/с) X Н. В результате имеем [c.282]

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]

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]

Примеси внедрения. Структуры типа алмаза. Тип электропроводности определяется размерами и электроотрицательностью примесных атомов, внедряющихся в междоузлия решеток полупроводников IV группы периодической системы. Эксперимент показывает, что, в противоречие с указанным выше правилом валентности, литий (I группа), внедряясь в междоузлия решетки германия, будет донором, а кислород (VI группа) — акцептором. Внедрение большого по размерам атома лития в тесные междоузлия решетки германия оказывается возможным только после его ионизации вследствие слабой связи валентного электрона, легко о грыва-ющегося от своего атома в среде с большой диэлектрической проницаемостью (б германия-16). Образовавшийся ион лития меньших размеров может уже внедряться в тесные междоузлия решетки, а освободившийся электрон обусловливает электропроводность п-типа. Внедрение в междоузлия решетки полупроводника атомов кислорода, имеющих сравнительно небольшие размеры и большую электроотрицательность, приводит к захватам электронов из атомов полупроводника, вследствие чего возникает электропроводность р-типа. Если атом Ge или Si под влиянием энергетического воздействия перебрасывается в междоузлие, то образуются два примесных уровня донорный внедренного атома и акцепторный пустого узла. [c.236]

Примесями могут быть различные вещества, например в кристалле германия могут содержаться мышьяк, сурьма, инднй и др. Примеси имеют свои энергетические уровни. Различают примеси донорные и акцепторные. Донорные примеси имеют энергетические уровни, располагающиеся в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. В связи с этим уже при сравнительно низкой температуре энергия теплового возбуждения электронов достаточна для перехода их с уровня примеси в зону проводимости, что приводит к возрастанию в пей концентрации электронов и увеличению электропроводности полупроводника. Акцепторные примеси имеют уровни, располагающиеся в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Электроны валентной зоны легко переходят на акцепторный уровень, оставляя в валентной зоне дырки, которые также участвуют в электропроводности. [c.57]

Имеется особенность, связанная со статистикой занятия донорных уровней в полупроводнике, которая требует, чтобы их функция распределения несколько отличалась от обычного выражения Ферми —Дирака. Каждый уровень основного состояния донора имеет двукратное спиновое вырождение. Если один из двух имеюш,ихся уровней основного состояния уже занят, то другой не может быть занят, так как необходим только один электрон, чтобы удовлетворить требованиям валентности донор-ного атома. [c.321]

При на.тичии 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 электронов с донорных уровней в зону проводимости и из валентной зоны на акцепторные уровни, что в спектре поглощения проявляется в виде примесной полосы поглощения. Если при освещении полупроводника светом происходит переход электрона примеси из основного состояния в возбужденное, то наблюдается линейчатый спектр поглощения. В случае, когда донорные уровни находятся вблизи дна зоны проводимости, примесное поглощение, обусловленное переходами электронов примеси из основного состояния в возбужденное или в зону проводимости, должно находиться в далекой инфракрасной области спектра и экспериментально может наблюдаться лишь при низких температурах, когда большая часть атомов примеси не ионизована. То же самое можно сказать и о спектре поглощения акцепторной примеси. На рис. 12.6 изображен спектр примесного поглощения бора в кремнии. [c.85]

Результаты (2.12) и (2.14) наводят иа мысль, что на (к)-диа-грамме зонной модели следовало бы представить донорные уровни, как дискретные состояния под минимумом зоны проводпмости. Ширина уровня [определяемая на основании (2.14)] также может быть показана на диаграмме, как мера концентрированности волнового пакета (2.7) в к-пространстве. Это показано на рис. 18 для рассматривавшегося до сих пор случая атома — донора в полупроводнике с изотропным параболическим минимумом зопы проводимости. [c.72]

Самая важная информация о донорных и акцепторных уровнях заключается в том, что они лежат вблизи границ запрещенной зоны 2). При тепловом возбуждении гораздо легче вызвать переход электрона в зону проводимости с донор-ного уровня или дырки в валентную зону с акцепторного уровня, чем переход через всю запрещенную зону из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому донорные и акцепторные примеси, если их концентрация не слишком мала, играют гораздо более важную роль в создании носителей, чем переброс электронов через всю запрещенную зону, характерный для собственных полупроводников. [c.202]

Используя (13), получаем из (12) 2х < ехр (—Ео/кТ)-, следовательно, в соотношении (9) второе слагаемое в левой части значительно меньше первого. Учитывая, что Л о — ТУд Мп, легко видеть, что в том случае, когда выполняется условие (12), X Л д/Л с является приближенным решением уравнения (9). Таким образом, энергия ц уменьшается с ростом температуры (при Т > Т1) и должна иметь максимум в области Т Т . Действительно, при ТУд — N А — N в уровень Ферми должен лежать приблизительно посередине между донорным уровнем и дном зоны проводимости, так же как в том случае, когда в полупроводнике имеются только доноры (см. пример 4). В области температур от Г < до температур, при которых л достигает максимума, имеем п а п . Эту область иногда называют переходной областью, так как здесь на донорных уровнях еш е находится значительное число электронов. В той области, где выполняются условия (12) и (13), на донорных уровнях уже почти не остается электронов и число п электронов проводимости практически равно постоянному значению Жд — Эта область температур называется областью пасыш ения. При дальнейшем повышении температуры существенную роль начинает играть возбуждение электронов из валентной зоны. Это — область собственной проводимости. Соответствующую температуру можно оценить, рассматривая полупроводник с собственной проводимостью (см. пример 3) и полагая плотность электронов проводимости равной значению Жд, соответствующему насыщению. Подставляя в выражение (10) примера 3 значение Ед12 0,36 эв, имеем [c.308]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...