Реферат на тему:
Легування кристалів донорною або акцепторною домішкою, напівпровідники
“n” та “p” типу . Електропровідність легованих кристалів.
Наявність в кристалі домішок та дефекті викликає появу в забороненій
зоні енергетичних рівнів, положення яких залежить від типі домішки чи
дефекту. Для управління електричними властивостями напівпровідників у
них спеціально вводять домішки (легують). Так, введення в елементарний
напівпровідник IV групи періодичної системи елементів, наприклад Si,
домішки елементів V групи (донорів) викликає появу додаткових електронів
і, відповідно, домінуванню електронної провідності (n – тип), введення
елементів III групи, викликає появу додатковихх дірок (p-тип).
Рис. 9. Схема утворення вільного електрона та зарядженого донорного
атома при легуванні Si елементами V групи періодичної системи.
На рис. 9 показано схему кристаллу Si, в який введено фосфор (V група).
Елемент V групи має 5 валентних електронів, чотири з них утворюють
зв’язки із сусідніми атомами Si, п’ятий електрон зв’язаний тыльки з
атомом домішки і цей зв’язок слабший від решти, тому при нагріеванні
кристалу цей електрон відриваеться першим, при цьому атом фосфора
отримує додатній заряд, стаючи іоном. Енергія іонізації донорів, як
правило, не є великою (0.005 – 0.01еВ) і при кімнатній температурі вони
практично усі віддають свої електрони. При цьому концентрація
електронів, що з’явилися за рахунок іонізації донорів приблизно дорівнює
концентрації введених атомів домішки та значно перевищує власну
концентрацію електронів та дірок n>>ni, тому такі матеріали і називають
електронними матеріалами (n-тип).
Уведення донорної домішки викликає збільшення концентрації електронів і,
відповідно, зміщенню рівня Фермі до зони провідності (чим він ближче до
неї, тем більша концентрація електронів). При цьому у відповідності до
(16) концентрація дірок зменшується. Действительно, використовуючи (14)
та (18) отримаємо для області спустошення домішки:
(20)
Дійсно, згідноно (18), чим є більшим Nd, тим менша віддаль між рівнем
Фермі та зоною провідності.
Рис. 10. Схема утворення вільної дірки та зарядженого акцепторного атома
при легуванні Si елементами III групи періодичної системи
Розглянемо, що відбувається при введенні в той ж Si елемента III групи,
наприклад B. Елемент III групи має 3 валентних електрони, які утворюють
зв’язки із сусідніми атомами Si, четвертий зв’язок може утворюватись,
якщо до атому B перейде ще один електрон від одного з його найближчих
сусідів, див. рис. 10. Енергія такого переходу не є великою, тому у
відповідного приймаючого (акцепторного) електрона енергетичний рівень
розміщений поблизу валентної зони. При цьому атом бора іонізується,
заряджуючись від’ємно, а в тому меці звідки пішов електрон утворюється
додатньо заряджена дірка, яка може брати участь у перенесенні заряду.
Кількість дірок, які з’явилися додатково, приблизно відповідає кількості
введених акцепторних атомів і, як правило, значно перевищує кількість
електронів, що виникають за рахунок переходів з валентної зони, тому
матеріал, який легований акцепторною домішкою є дірковим (p-тип).
Уведення акцепторної домішки викликає збільшення концентрації дірок і,
відповідно, зміщення рівня Фермі до валентної зони (чим він ближче до
неї, тим більша концентрація дірок). При цьому, у відповідності до (18),
концентрація електронів зменшується. Дійсно, використовуючи (17) та (20)
отримаємо для області спустошення домішки:
(19)
Згідно (19), чим більше Na, тим менша віддаль між рівнем Фермі та зоною
провідності.
Електропровідність легованих кристалів.
> @ ?
?
?
A
y
??y?трації електронів та дірок і їх рухливості. При цьому від
температури залежать як рухливості електронів та дірок, так і їх
концентрації. Розглянемо це питання конкретніше. Нагадаємо, що ефективна
рухливість визначається віддаллю на коливаннях решітки та віддаллю на
іонізованій домішці, формула (10). Уведення в невеликих концентраціях
домішок (переважно, не більше сотих долей відсотка), не проявляє
значного впливу на решіткову віддаль, однак концентрація іонізованої
домішки може змінюватись в мільйони разів, природньо припустити, що при
цьому зросте і степінь розсіяння на іонах домішки при низьких
температурах. І тим не менше, основна зміна провідності в легованих
напівпровідниках і, відповідно, характеру температурної залежності
пов’язана зі зміною концентрації.
Електропровідність в загальному виді можна записати так:
(20)
Аналіз наведених співвідношень (20) показує, що концентрація зміюється
за експоненційним законом в залежності від положення рівня Фермі та
температури. Взагалі рввень Фермі потрібно розглядати як хороший
індикатор процесів, які відбуваються з носіями заряду. Якщо рівень Фермі
наближується до зони провідності, то зростає концентрація електронів і,
відповідно, ?n, при цьому концентрація дірок і, відповідно, ?p
зменшується.
Показані на рис.11 діаграмі допоможуть зрозуміти, як зі зміною
температури змінюється рівень Фермі (а), концентрація носіїв заряду (б),
рухливість (в) та електропровідність (г) напівпровідникового матеріалу.
В області високих температур, там, де домінують міжзонні переходи та
власна концентрація носіїв больша за домішкову ni>>nпр, напівпровідник
веде себе як власний (область I). В області низьких температур (область
III), там де домішка не іонізована, рівень Фермі повинен знаходитись
вище за донорний рівень (ймовірність заповнення електронами більша за
1/2). З мірою того, як температура підвищується, донори віддають
електрони в зону провідності та поступово повністю іонізуються (область
II). Область II прийнято називати областю спустошення домішки, оскільки
усі атоми донорів віддали свої електрони, а концентрація власних
електронів все ще досить мала, концентрація електронів у цій області
залишається постійною і приблизно рівною концентрації домішкових атомів.
Іменно ця температурна область і є основною областю роботи значної
кількості напівпровідникових діодів та транзисторів.
Рис. 11. Діаграми зміни зі зміною температури положення рівня Фермі (А),
концентрації носіїв заряду (Б), провідності (В), рухливості (Г)
Оскільки в області II концентрація носіїв змінюється в незначній мірі,
то в електропровідності (крива В) стає замітний вклад рухливості, что
викликає деяке падіння електропровідності при зростанні температури (що,
взагалі кажучи, не є характерним для напівпровідників) в деякому
інтервалі температур за рахунок домінування розсіяння на коливннях
решітки та зменшення рухливості при зростанні температури. Потім при
подальшому підвищенні температури відбувається перехід до власної
провідності, концентрація електронів та електропроведнесть починають
зростати за експоненційним законом.
Використана література:
Основы промышленной электроники/ Под ред. В.Г. Герасимова. -М.: Высшая
школа, 1978.
Изъюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной
электроники. -М.: Высшая школа, 1975.
Миклашевский С.П. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1973.
Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Высшая
школа, 1988.
Основы промышленной электроники/Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: высшая
школа, 1982.
Гершунский В.С. Основы электроники. – К.: Вища школа, головн. из-во,
1982.
Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.:Энергоатомиздат, 1985.
Нагорский В.Д. Электроника и электрооборудование. – М.: Высшая школа,
1986.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
