Модель примесного полупроводника



Если собственный атом кристаллической решётки четырёхвалентного кремния или германия будет замещён пятивалентным атомом элемента V группы таблицы Менделеева, например, фосфором Р, то четыре валентных электрона примесного атома будут задействованы в формировании ковалентных связей. Энергетический уровень пятого валентного электрона ED будет находится в запрещённой зоне полупроводника, поскольку ни в валентной зоне, ни в зоне проводимости нельзя разместить ещё хотя бы один дополнительный уровень разрешённых состояний сверх положенных четырёх уровней на каждый атом. Не участвующий в формировании ковалентных связей пятый электрон слабо связан с ядром. Энергия его ионизации, ΔED=EC-ED как правило, на один – два порядка меньше ширины запрещённой зоны. Например, энергия ионизации фосфора в кремнии составляет всего 0,044 эВ=1,7 κT0 при ширине запрещённой зоны 0 1,12эВ~42 kT0«Лишний» электрон легко отрывается от атома примеси, т.е. переходит с примесного уровня ED в зону проводимости, где становится свободным носителем заряда. Такая примесь называется донорной, поскольку увеличивает концентрацию СНЗ- электронов в полупроводнике. Энергетический уровень электронов донорной примеси ED находится в запрещённой зоне ниже дна зоны проводимости на величину энергии ионизации примеси. Ионизация атомов донорной примеси означает переход электрона с примесного уровня в зону проводимости. При этом образуется свободный электрон в зоне проводимости и неподвижный положительный ион донорной примеси, встроенный в кристаллическую решётку. Поскольку энергия ионизации донорной примеси невелика, то уже при комнатной температуре практически все атомы донорной примеси ионизированы. Ионизация атомов донорной примеси не исключает образование пар СНЗ за счёт перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Ионизация собственных атомов создаёт концентрацию р [см-3] свободных дырок.

Энергия ионизации примеси во много раз меньше энергии ионизации собственных атомов решётки. Поэтому в области рабочих температур в донорном полупроводнике n>>p. Электроны являются основными носителями заряда (ОНЗ)9. Они образуются, в основном, за счёт ионизации атомов донорной примеси. Их концентрация может широко варьироваться путём изменения количества введённой примеси. Дырки являются неосновными носителями заряда (ННЗ). Они образуются за счёт разрыва ковалентных связей (ионизации) собственных атомов решётки. Аналогично, если собственный атом кристаллической решетки четырёхвалентного кремния или германия замещён трёхвалентным атомом элемента III группы таблицы Менделеева, например, бором В, то три валентных электрона примесного атома будут задействованы в формировании ковалентных связей. Электрон, недостающий для формирования четвёртой ковалентной связи, привлекается за счёт разрыва ковалентной связи собственных атомов решётки в объёме кремния. При этом образуется свободная дырка в валентной зоне и неподвижный отрицательный ион атома акцепторной примеси, встроенный в кристаллическую решетку. Такая примесь называется акцепторной (от англ. accept – принимать), поскольку она «присоединяет» к себе электроны за счёт их перехода из валентной зоны на примесный уровень ЕA. Энергетический уровень «присоединённых» электронов EA находится в запрещённой зоне выше вершины валентной зоны на величину энергии ионизации акцепторной примеси.

В полупроводнике, легированном акцепторной примесью, дырки являются основными носителями заряда, а электроны − неосновные носители заряда. Дырки образуются, в основном, за счёт ионизации атомов примеси, а ННЗ-электроны - за счёт разрыва ковалентных связей собственных атомов решётки.

 

 

Рисунок 2 - Образование свободных носителей заряда в собственном и

примесных полупроводниках за счёт тепловой генерации электронно‐ дырочных пар и ионизации атомов примеси

На рисунке 2 обозначено А) Модели кристаллических решёток Б) Зонные диаграммы.

а) Модель акцепторной примеси. Трёхвалентный атом бора захватывает у собственного атома электрон, недостающий для формирования ковалентной связи. Образуется свободная дырка в валентной зоне и встроенный в кристаллическую решётку отрицательный ион В-. ЕА – акцепторный уровень.

 б) Модель собственного полупроводника. Разрыв ковалентной связи собственных атомов решётки кремния создаёт пару свободных носителей заряда – положительную дырку в валентной зоне и отрицательный электрон в зоне проводимости.

 в) Модель донорной примеси. Пятивалентный атом фосфора отдаёт незадействованный в ковалентных связях пятый электрон. Образуется свободный электрон в зоне проводимости и встроенный в кристаллическую решётку неподвижный положительный ион Р+. ЕD - донорный уровень. На зонных диаграммах примесных полупроводников показано также образование электронно-дырочных пар носителей заряда за счёт разрыва ковалентных связей (ионизации) собственных атомов решётки, которые обозначаются как переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости.

В области рабочих температур примесных полупроводников основными являются «примесные» носители, созданные за счёт ионизации примеси. Неосновные носители - это «собственные» носители, созданные за счёт ионизации собственных атомов решётки.


 

 


 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. http://foez.narod.ru/11.htm

2. http://bibliofond.ru/view.aspx?id=478536#_Toc166378539

3. http://www.kapitza.ras.ru/~glazkov/teaching/2015-06.pdf

4. https://mipt.ru/drec/upload/e96/file-arphl85qooa.pdf

5. http://5fan.ru/wievjob.php?id=18248

 


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 262; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!