Классификация и поведение легирующей примеси



Министерство образования и науки РФ

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Институт высших технологий

Кафедра квантовой физики и нанотехнологий

 

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Реферат

По теме «Примесные полупроводники»

 

 

Выполнил студент группы НМб-15-1

Бурцев В.Е ___________

                             Проверил

                             Демин А.П. ___________

 

 

Иркутск – 2017

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………...3

1 Примесная проводимость полупроводников………………………………….4

2 Классификация и поведение легирующей примеси…………………………..6

3 Донорные и акцепторные примеси в полупроводнике……………………….8

4 Уровни легирования полупроводников…….…………........………………..11

5Носители заряда в примесных полупроводниках…………………………...15

6 Модель примесного полупроводника………………………………………..18

Список использованной литературы……………………………………….......20

 

ВВЕДЕНИЕ

Собственные свойства полупроводников - это свойства собственных полупроводников. Определяются они химическим составом, типом межатомного взаимодействия и уровнем структурного совершенства. Собственные свойства полупроводников не зависят от технологических приёмов их получения. К собственным свойствам относятся, например, такие показатели, как концентрация собственных носителей, их подвижность, ширина запрещённой зоны и те показатели, которые, так или иначе, зависят от перечисленных. Технология полупроводниковых материалов требует использования чистых исходных материалов. Однако, очистив полупроводниковый материал до необходимого уровня, далее его снова начинают "загрязнять", поскольку основным способом придания полупроводниковым материалам необходимых свойств является введение в них тех или иных примесей. Преднамеренное введение примеси называется легированием, соответствующие примеси - легирующие, а полупроводник - легированным или примесным. Кроме легирующих примесей существуют случайные или фоновые примеси, непреднамеренно вводимые в полупроводник в процессе его производства и обработки. Типичный пример - это кислород в кремнии, который попадает в кристалл при его выращивании из расплава. Кислород попадает в расплав, в результате его взаимодействия с кварцевым тиглем. Фоновые примеси, как правило, ухудшают основные свойства материала и затрудняют управление ими.

Примесный полупроводник - это полупроводник, элек­т­ро­­­фи­зи­­чес­кие свойства которого определяются, в основном, при­ме­ся­­ми дру­гих химических элементов. Процесс вве­дения примесей в по­­лу­­про­водник называется леги­ро­ва­нием полупроводника, а са­ми при­­­­меси называют леги­ру­ю­щи­ми.

 

Примесная проводимость полупроводников

Этот вид проводимости возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атома ми, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. На условно изображена решетка германия с примесью 5-валентных атомов фосфора. Для образования ковалентных связей с соседями атому фосфора достаточно четырех электронов. Следовательно, пятый валентный электрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения, образуя странствующий свободный электрон. В отличие от рассмотренного раньше случая образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е. образованием дырки. Хотя в окрестности атома примеси возникает избыточный положи тельный заряд, но он связан с этим атомом и перемещаться по решетке не может. Благодаря этому заряду атом примеси может захватить приблизившийся к нему электрон, но связь захваченного электрона с атомом бу дет непрочной и легко нарушается вновь за счет тепловых колебаний решетки.

Таким образом, в полупроводнике с 5-валентной примесью имеется только один вид носителей тока - электроны. Соответственно говорят, что такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником n-типа (от слова negativ- отрицательный). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами.

Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме так называемых локальных уровней, расположенных в запрещен ной зоне кристалла. Любой уровень валентной зоны или зоны проводимости может быть занят электроном, находящимся в любом месте кристалла.

Энергию, соответствующую локальному уровню, электрон может иметь, лишь находясь вблизи атома примеси, вызвавшего появление этого уровня. Следовательно, электрон, занимающий примесный уровень, локализован вблизи атома примеси.

Если донорные уровни расположены недалеко от потолка валентной зоны, они не могут существенно повлиять на электрические свойства кристалла. Иначе обстоит дело, когда расстояние таких уровней от дна зоны проводимости гораздо меньше, чем ширина запрещенной зоны, В этом случае энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости. На этому процессу соответствует отщепление пятого валентного электрона от атома примеси. Захвату свободного электрона атомом примеси соответствует переход электрона из зоны проводимости на один из донорных уровней.

Уровень Ферми в полупроводнике n-типа лежит между донорными уровнями и дном зоны проводи мости, при невысоких температурах -приблизительно посредине между ними

На условно изображена решетка кремния с примесью 3-валентных атомов бора. Трех валентных электронов атома бора недостаточно для образования связей со всеми четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется неукомплектованной и будет представлять собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникнет дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникнет избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока. Таким образом, в полупроводнике с 3-валентной примесью возникают носители тока только одного вида - дырки. Проводимость в этом случае называется дырочной, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит к p-типу (от слова positiv - положительный). Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными.

Образованию дырки отвечает переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень. Обратный переход соответствует разрыву одной из четырех ковалентных связей атома примеси с его соседями и рекомбинации образовавшегося при этом электрона и дырки.

Уровень Ферми в полупроводнике р-типа лежит между потолком валентной зоны и акцепторными уровнями, при невысоких температурах - приблизительно посреди не между ними.

С повышением температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения. Это означает, что практически освобождаются все донорные или заполняются электронами все акцепторные уровни. Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степени начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, при высоких температурах проводимость полупроводника будет складываться из примесной и собственной проводимости. При низких температурах преобладает примесная, а при высоких - собственная проводимость.

Классификация и поведение легирующей примеси

Легирующие примеси делятся на электрически активные и электрически неактивные примеси. Характер электрической активности примеси зависит от соотношения валентности примесей полупроводника. Исходя из этого, легирующие примеси делятся на:

· Неизовалентные, т.е. примеси, валентность которых отличается от валентности замещаемых ими атомов основного полупроводника. Они вносят разрешённые уровни в запрещённую зону основного полупроводника.

· Изовалентные, т.е. такие, валентность которых совпадает с валентностью замещаемых атомов основного полупроводника. В состоянии замещения они не создают разрешённых уровней и в запрещённой зоне.

 В полупроводниковых материалах, в которых основным типом химической связи является ковалентная, неизовалентные примеси растворяются в небольших количествах. Изовалентные примеси могут растворяться в больших количествах вплоть до неограниченной растворимости. В примесных полупроводниках электроны в зону проводимости и дырки в валентную зону поставляются активными примесями донорами и акцепторами соответственно. Полупроводник, в котором основным типом носителей являются электроны, называется n-типа, донорным или электронным, если основным типом являются дырки - полупроводник называется p-типа, акцепторным или дырочным. Донорными примесями типа замещения являются такие, валентность которых больше валентности замещаемого атома, акцепторными - валентность которого меньше замещаемого атома. Примеси внедрения являются в полупроводниках или нейтральными или донорными. Поскольку ионизация акцептора связана с присоединением электрона и увеличением эффективного радиуса атома, то примесь внедрения в виде акцептора будет вызывать большие упругие локальные искажения решётки полупроводника. Поэтому примеси внедрения в роли акцептора выступают крайне редко. Поведение легирующих примесей даже в элементарных полупроводниках не всегда бывают однозначным, поскольку определяется большим числом факторов: природой атомов примеси, положением, занимаемым атомом примеси, степенью её ионизации, отклонением состава от стехиометрического, взаимодействию примесей, дефектами и другими примесями и т.д. Понимание роли этих факторов является необходимым условием обоснованного выбора легирующей примеси, её концентрации и способа введения. В абсолютном большинстве случаев легирующая примесь обеспечивает создание необходимых свойств полупроводника только в ионизированном виде. Легирование в количествах, превышающих предел растворимости и вызывающих образование дополнительных фаз, как правило, отрицательно влияет на основные свойства полупроводника.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 237;