Примеси в полупроводниках энергия связи

Пятивалентные атомы, введенные в естественный четырехвалентный полупроводник в качестве примесей, берут на себя четыре ковалентные связи с соседними атомами естественного полупроводника, а пятый электрон пятивалентного атома оказывается сравнительно слабо связанным. Этот электрон продолжает принадлежать своему атому, но его энергия связи с ним очень мала, а радиус орбиты велик по сравнению со значениями этих величин для свободного атома. Это обстоятельство обусловливается тем, что электрон в атоме движется как бы в среде, диэлектрическая постоянная которой равна диэлектрической постоянной естественного полупроводника. Относительная диэлектрическая постоянная = e/Eq у крем- [c.350]

Во втором случае атомы вводимой примеси имеют меньшее число валентных электронов, чем атомы полупроводника. Поэтому атомам примеси не хватает валентных электронов для образования всех химических связей с окружающими их атомами полупроводника. Недостающие электроны могут быть захвачены атомами примеси у соседних атомов полупроводника, для чего необходима небольшая энергия Ел (рис. 3, в). При этом атомы примеси приобретают отрицательный заряд, а в валентной зоне на месте захваченного электрона образуется дырка. Введение в полупроводник таких примесей, называемых акцепторными, приводит к возрастанию концентрации дырок в валентной зоне при неизменной концентрации электронов в зоне проводимости. Полупроводники, легированные акцепторной примесью, называют дырочными, или полупроводниками р-типа электропроводности. [c.8]

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]

Если теперь в полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести элемент III группы, например алюминий, то все три валентных электрона примесного атома будут участвовать в образовании ковалентных связей, одна из четырех связей с ближайшими атомами основного вещества окажется незавершенной (рис. 8.1, в). В незаполненную связь около атома алюминия за счет тепловой энергии может перейти электрон от соседнего атома основного вещества. При этом образуются отрицательный ион алюминия и свободная дырка, перемещающаяся по связям основного вещества и, следовательно, принимающая участие в проводимости кристалла. Примесь, захватывающая электроны, называется акцепторной. Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от атома основного вещества к атому примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей кремния. В силу этого количества дырок может быть значительно больше количества свободных электронов и проводимость кристалла будет дырочная. [c.270]

У проводников имеется огромное количество свободных электронов, направленное перемещение которых и составляет ток проводимости, а у полупроводников свободных электронов очень немного. Это объясняется тем, что валентные электроны в полупроводниках связаны со своими атомами, т. е. не являются свободными. Другой особенностью полупроводников является то, что ток в них может возникать и изменяться в широких пределах только под влиянием внешних воздействий нагревания, облучения или при введении некоторых примесей. Все это увеличивает энергию валентных электронов, что позволяет им оторваться от своих атомов и под действием приложенного напряжения начать направленное перемещение, т. е. стать носителями тока. [c.88]

Примесная проводимость полупроводников возникает при существовании в кристалле примесных атомов, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Донор-ные примеси обладают большей валентностью, чем основные атомы, их избыточные электроны обладают меньшей энергией связи и легко могут быть переведены в свободное состояние. Акцепторные примеси имеют меньшую валентность, чем основные атомы, и легко образуют дырки. Соответственно типы проводимости называются п-прово-димостью (электронной) и р-проводимостью (дырочной). [c.121]

Кроме того, при типичных значениях т 1т и е энергия связи может уменьшиться в тысячу и более раз по сравнению со значением, равным 13,6 эВ. Действительно, малой ширине запреш енной зоны соответствует обычно большая диэлектрическая проницаемость, поэтому почти всегда оказывается, что энергия связи электрона с донорной примесью мала по сравнению с шириной запрещенной зоны полупроводника. Как уже говорилось, энергия связи отсчитывается от энергии уровней зоны проводимости, из которых формируется связанный примесный уровень. Таким образом, можно сделать вывод, что донорные примеси приводят к образованию дополнительных электронных уровней, энергия которых [c.202]

Полупроводники качественно отличаются от металлов природой химических связей, структурой и физико-механическими свойствами. От диэлектриков полупроводники отличаются лишь количественно. Полупроводники — это вещества, имеющие при нормальной температуре удельную проводимость в интервале 10" —10 Ом" м , которая зависит от вида и количества примесей, структуры вещества и внешних условий температуры, давления, электрических и магнитных полей, освещения, облучения ядерными частицами. В соответствии с зонной теорией у металлов валентные электроны легко переходят на уровни зоны проводимости и все валентные электроны участвуют в создании тока. У полупроводника энергетическая зона валентных электронов занята полностью и отделена от зоны проводимости зоной запрещенных энергий. К полупроводникам относятся вещества, для которых запрещенная зона равна (0,16- -5,1) 10" Дж. Вещества с большей шириной запрещенной зоны относятся к диэлектрикам. Основу полупроводникового прибора составляет кристалл полупроводникового материала с одним пли несколькими электронно-дырочными р—м-переходами, которые получают,, вводя разнообразные примеси в различные участки одного и того же кристалла. [c.230]

Если в естественный полупроводник IV группы ввести в качестве примеси трехвалентные атомы из III группы элементов, то для осуществления ковалентной связи с четырехвалентным окружением этим атомам не хватает по одному электрону. Недостающие электроны они заимствуют у соседних атомов с затратой небольшой энергии порядка 10 эВ. В результате в валентной зоне возникает дырка, которая и обусловливает дырочную проводимость полупроводника. Поскольку энергия ионизации основных атомов для образования дырки мала ( 10 эВ), при комнатной температуре на каждый атом примеси приходится по одной дырке. Естественная дырочная и электронная проводимости при этом, как и в случае донор-ных примесей, малы. Поэтому доминирующей будет дырочная проводимость. Трехвалентные атомы примеси называются акцепторными. Акцепторные энергетические уровни лежат в запрещенной зоне весьма близко к ее верхнему краю. Для полупроводников IV группы периодической системы элементов наиболее важными акцепторными примесями являются элементы III группы-галлий, индий, таллий. [c.351]

Рассмотрим кристаллическую решетку германия с примесью мышьяка — элемента пятой группы, у которого на внешней орбите расположено пять электронов (рис. 8-2, б). Попав в узел решетки германия и связав четыре из своих электронов, такая примесь дает избыточный слабо связанный электрон /, который под влиянием тепловой энергии может начать беспорядочно блуждать по кристаллу, а под воздействием электрического поля он станет направленно перемеш,аться (электропроводность типа п). Атом примеси, потерявший электрон, представляет собой положительно заряженную частицу, неподвижно закрепленную в данном месте решетки полупроводника. В рассмотренном случае примесь элемента пятой группы периодической системы будет донорной. [c.235]

Для того чтобы образовалась свободная дырка, необходима энергия меньшая, чем для разрыва ковалентной связи. В германии и кремнии для бора, алюминия, галлия, индия эта энергия составляет 0,01 0,07 эВ. Значит, локальные энергетические уровни акцепторной примеси расположены в запрещенной зоне полупроводника вблизи потолка валентной зоны. [c.53]

Рассмотрим общую модель полупроводника, легированного донорньши примесями. В единице объема чистого идеального кристалла хаотически распределены ) N X, фиксированных притягивающих центров с зарядами +е и такое же число дополнительных электронов с зарядами —е. Предполагается, что каждый центр с зарядом +е может образовать связанное состояние с одним из дополнительных электронов, обладающих зарядом —е ). Если бы примесь находилась не внутри полупроводника, а в пустом пространстве, то энергия связи электрона была бы просто равна первому ионизационному потенциалу атома примеси, равному 9,81 эВ для мышьяка. Однако (и это имеет решающее значение для теории полупроводников) благодаря тому, что примесь находится в полупроводнике, энергия связи значительно уменьшается (до 0,013 эВ для мышьяка в германии). Это происходит по следующим причинам. [c.200]

Обобщая концепцию экситонов Ванье —Мотта, Ламперт [237] рассмотрел возможность существования различных комплексов, состоящих из большего числа частиц, чем электронно-дырочная пара. Эти комплексы могут быть двух типов подвижные, состоящие только из электронов и дырок, и неподвижные, включающие локальные центры —примеси и дефекты. Комплексы второго типа представляют собой локализацию экситона Ванье —Мотта на заряженной или нейтральной примеси в полупроводниках. Такие образования будут устойчивыми, если энергия связи экситона с примесью больше энергии связи электрона и дырки. [c.323]

Примеси в полупроводниках ионизуются в результате теплового возбуждения, освещения или какого-либо другого внещнего воздействия. В отсутствии внещних воздействий при температуре вблизи нуля атомы примесей в полупроводниках не ионизованы.Энергия ионизации примеси зависит от силы связи валентных электронов примесного атома с его ядром и с электронами других атомов в кристалле. Обычно валентные электроны примесного атома, не принимающие участия в образовании химической связи в кристалле, ионизуются в первую очередь при внещних воздействиях. Энергия ионизации примеси экспериментально может быть определена из измерений температурной зависимости постоянной Холла (термическая энергия ионизации), спектральной зависимости коэффициента поглощения света и фотопроводимости (оптическая энергия ионизации). Установлено, что энергия ионизации примеси зависит от концентрации примеси и в общем случае уменьшается с ее ростом. [c.118]

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]

На энергетической диаграмме наличие примеси в решетке полупроводника будет характеризоваться появлением локального уровня, лежащего в запрещенной зоне. Так как при ионизации атома мышьяка образуется свободный электрон и для его отрыва требуется значительно меньшая энергия, чем для разрыва ковалентных связей кремния, то энергетический уровень дойорной примеси [c.270]

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]

На рис. 2 приведены фототермоионизац. спектры чистых образцов Ge и Si. Линии в спектрах относятся к техноло-гически неконтролируемым остаточным кол-вам примесей и примесных комплексов, В образце Ge (рис. 2, а) суммарная концентрация акцепторов jVa = 6-10 см , доноров Л д = 9 10 см -, темп-ра образца Г=6,5 К, разрешение 0,03 см . В образце Si (рис. 2,6) Л л=10 м 10 см , Т= 1 К, разрешение 0,25 см . Кроме анализа чистоты Ge и Si Ф. с, используется также для исследования локализованных состояний и анализа примесей в арсениде галлия, фосфиде индия, теллуриде кадмия, ПП алмазе и др. Чистые полупроводники AjB, содержат больше остаточных примесей, чем Ge и Si. Для устранения эффектов, связанных с перекрытием состояний близко расположенных атомов примеси, приводящих к сильному уширению и даже исчезновению линий в спектрах, исследуемые образцы помещают в маги, гголе, к-рое сжимает основное и возбуждённое состояния, увеличивает энергии связи электронов и снимает перекрытие состояний. [c.362]

Краевая дислокация соответствует нарушению вдоль края образовавшейся в кристалле под влиянием тех или иных причин неполной атомной плоскости. Вдоль этого края атомы кристалла имеют несовершенную координацию — неполное число соседей, вследствие чего одна или более связей у этих атомов являются незавершенными. В кристаллах германия и кремния координационное число равно четырем. Краевые дислокации с некоторой долей винтовой компоненты в этих кристаллах образуются на плоскостях 111) вдоль направлений < 110>. Атомы вдоль края неполной плоскости имеют один неспаренный электрон (рис. V. 20) и могут взаимо/1ействовать с электронами, захватывая их с образованием спаренной связи, с выделением энергии. Такая дислокация ведет себя в полупроводнике, следовательно, подобно акцепторной примеси. В связи с этим дислокации изменяют электрические свойства полупроводника, ухудшая в особенности время жизни неосновных (вводимых в полупроводник извне) носителей тока, характеристику, определяющую качество работы ответственных полупроводниковых приборов (транзисторов). [c.512]

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]

Обычно энергия связи экситонно-примесного комплекса чрезвычайно мала —порядка 10" —10 эб. Если энергия взаимодействия экситона с примесью (заряженной или нейтральной) меньше энергии связи дырки и электрона внутри экситона, то в полупроводниках с экстремумами энергетических зон при к —О силы осцилляторов (вероятности) дипольно разрешенных прямых оптических переходов имеют аномально большое значение по сравнению с силами осцилляторов переходов в свободное экситонное состояние. Это обстоятельство было отмечено в работе [244] при исследовании кристаллов ZnO и в работе [245] при исследовании кристаллов dS. Более полное экспериментальное исследование аномальной интенсивности экситонно-примесного поглощения в кристаллах dS проведено в работе Тимофеева иЯловец [246]. Они обнаружили, что силы осцилляторов слабосвязанных экси-тонно-примесных комплексов в dS на три порядка и более превосходят силу осциллятора оптического перехода в нижайшее состояние свободного экситона. [c.325]

Ое) примесная зона сливается с зоной проводимости (в случае акцепторной 11римеси - с валентной зоной), и ширина запрещенной зоны уменьшается. В таких "сильно легированных" полупроводниках грани1№>1 этих зон оказываются нерезкими, в области ранее запрещенных энергий появляются так называемые "хвосты состояний , которые связаны со случайными колебаниями концентрации примеси в кристалле. [c.105]

Для детектирования излучения с длиной волны более 1 мкм требуются узкозонные полупроводники. Из перечисленных в таб-т. 7.2 двухкомпонентных сложных полупроводников П1 — V групп InSb имеет наименьшую ширину запрещенной зоны и может быть использован в качестве ( одетектора вплоть до 6 мкм. Для детектирования излучения лазера на Oj (10.6 мкм) необходимы другие материалы. Раньше на этих длинах волн использовались примесные полупроводники, такие как германий с примесью меди или ртути, действующие как примесное фотосопротивление. Возьмем в качестве примера соединение Ge — Hg. Ртуть вводит полосу акцепторных уровней с энергией на 0,09 эВ выше верхнего уровня валентной зоны. Конечно, при достаточно умеренных температурах они заполнены термически возбужденными электронами из валентной зоны. Но при достаточно низких температурах, менее 30 К, они оказываются в основно.м пустыми, и тогда электроны могут быть возбуждены оптически. Образованные таким образом дополнительные дырки увеличивают электрическую проводимость материала прямо пропорционально поглощенному световому потоку. Совсем недавно появились плоскостные фотодиоды с р-п-пере-ходом, сделанные на основе трехкомпонентного полупроводника из элементов И—VI групп — теллурнда кадмия с ртутью d x.Hg, .v Те. Уменьшение содержания кадмия позволяет сузить ширину запрещенной зоны этого материала при комнатной температуре от 1,8 эВ до 0. Если X = 0,2, ширина запрещенной зоны eg ж 0,1 эВ при 77 К и могут быть получены диоды с квантовой эффективностью, превышающей 0,25 на длине волны 10,6 мкм. Для избежания избыточного темпового тока, вызываемого тепловым возбуждением, необходимо охладить фотодиод до 120 К или ниже. В наземных системах связи для охлаждения фотодиода может быть использован жидкий азот (77 К), а в космических для достижения этих температур потребуются пассивные охладители. Использование обратного смещения 0,2... 0,5 В минимизирует емкость н улучшает временные характеристики диода, не вызывая дополнительного темпового тока в результате туннелирования. В этом случае могут быть получены полосы пропускания свыше 100 МГц. [c.417]

Упругое взаимодействие I рода обусловлено полями упругих напряжений вокруг дислокаций и вокруг примесного атома. Знак напряжений вокруг примесного атома зависит от соотношения радиусов атомов основного вещества го и примеси г. В случае примеси замещения при Дг = г — Го > О возникают упругие напряжения радиального сжатия, при Дг < О — растяжения. В случае примеси внедрения напряжения всегда сжимающие. Атом, создающий растягивающие напряжения, будет стремиться в сжатую область вокруг дислокации, в то время как атом, создающий сжимающие напряжения, — в растянутую. Взаимодействие этого типа связано с краевыми дислокациями. Упругая энергия E такого взаимодействия равна работе, совершаемой упругими силами при замене атома основного вещества примесным атомом E Obr Ar sin9/roR, где G — модуль сдвига, 7 и sin 0 — сферические координаты атома примеси (краевая дислокация находится в начале координат) [17]. Знак отношения Дг/го показывает, куда стремится атом примеси в растянутую или сжатую область решетки. Характерная энергия этого взаимодействия в полупроводниках составляет иО.5 эВ. [c.108]

Существенное влияние на электрические свойства полупроводников оказывают примеси других веществ. Наибольший интерес представляет случай, когда примесью являются элементы третьей и пятой групп периодической системы. При введении такой примеси в кремний образуется твердый раствор замещения, т. е. атомы примесей замещают в узлах кристаллической решетки атомы кремния. Если атом кремния замещается атомом пятивалентной нримсси (например Р, Аз, 5Ь), то четыре из пяти электронов внешней оболочки атома примеси принимают участие в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый, избыточный или, как его называют, примесный электрон, не участвующий в образовании ковалентных связей, остается связанным с атомом примеси, но перевести его в свободное состояние значительно легче, чем любой электрон валентной связи. Энергия, необходимая для перевода примесного электрона в свобод 1ое состояние, носит название энергии ионизации примеси. [c.17]

I зависимость энергии ионизации мелких примесей от [ Н связана также со спецификой квантования зонных 1 состояний (см. выше), Т. о., в П. п. энергия иониза-) ции примесей, а следовательно, и кинетич. явления значительно сильнее зависят от Н и Т, чем в обычных полупроводниках. [c.33]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...