Что такое внешний, внутренний полупроводник, его типы p и n, материалы

В статье узнаете что такое внешний и внутренний полупроводник, его типы p и n, какие материалы используются для полупроводников и энергетические зоны внешних полупроводников.

Полупроводник, любой из класса кристаллических твердых тел с промежуточной электрической проводимостью между проводником и изолятором. Полупроводники используются в производстве различных видов электронных устройств, включая диоды, транзисторы и интегральные схемы. Такие устройства нашли широкое применение из-за их компактности, надежности, энергоэффективности и низкой стоимости. В качестве дискретных компонентов они нашли применение в силовых устройствах, оптических датчиках и излучателях света, включая твердотельные лазеры. Они имеют широкий спектр возможностей по управлению током и напряжением и, что более важно, пригодны для интеграции в сложные, но легко изготавливаемые микроэлектронные схемы. Они являются и будут в обозримом будущем ключевыми элементами для большинства электронных систем, обслуживающих приложения для связи, обработки сигналов, вычислений и управления как на потребительском, так и на промышленном рынках.

Полупроводниковые Материалы

Твердотельные материалы обычно группируются в три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками .) На рисунке показана проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), связанные с некоторыми важными материалами в каждом из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую удельную проводимость, порядка от 10 -18 до 10 -10 сименс на сантиметр; и проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 4 до 10 6 сименс / см. Проводимости полупроводников находятся между этими крайними значениями и обычно чувствительны к температуре, освещенности, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая добавка) на миллион атомов кремния может увеличить свою электрическую проводимость в тысячу раз (частично учитывая большую изменчивость, показанную на предыдущем рисунке).

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. Элементарные полупроводники — это те, которые состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI периодической таблицы. Однако существуют многочисленные составные полупроводники, которые состоят из двух или более элементов. Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из столбца III и мышьяка(As) из столбца V. Тройные соединения могут образовываться элементами из трех различных столбцов — например, теллурид индия ртути (HgIn 2 Te 4), соединение II-III-VI. Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, таких как арсенид алюминия-галлия (Al x Ga 1 — xAs), который является тройным соединением III-V, где и Al, и Ga взяты из столбца III, а индекс xсвязан к композиции из двух элементов из 100 — процентной Al ( х = 1) до 100 процентов Ga ( х = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V наиболее важны для излучения света.

Внешние полупроводники

После некоторых экспериментов ученые наблюдали увеличение проводимости полупроводника, когда к нему добавляли небольшое количество примеси. Эти материалы представляют собой внешние полупроводники или примесные полупроводники. Другой термин для этих материалов — «Легированный полупроводник». В качестве примесей используются легирующие примеси.

Важным условием легирования является то, что количество добавляемой примеси не должно изменять решеточную структуру полупроводника. Чтобы достичь этого, размеры атомов легирующей примеси и полупроводника должны быть одинаковыми.

Типы легирующих примесей в внешних полупроводниках

Кристаллы кремния и германия легируются с использованием двух типов легирующих примесей:

  1. Пятивалентный (валентность 5); например, мышьяк (As), сурьма (Sb), фосфор (P) и т. д.
  2. Трехвалентный (валентность 3); например, индий (In), бор (B), алюминий (Al) и т. д.

Причина использования этих легирующих примесей состоит в том, что они имеют атомы такого же размера, что и чистый полупроводник. И Si, и Ge принадлежат к четвертой группе в периодической таблице. Следовательно, выбор допантов из третьей и пятой группы. Это гарантирует, что размер атомов мало чем отличается от четвертой группы. Отсюда и трехвалентный и пятивалентный выбор. Эти присадки дают начало двум типам полупроводников:

  1. p-типа
  2. n-типа

N тип полупроводника

Когда мы добавляем небольшое количество пятивалентной примеси к чистому полупроводнику, тогда образуется полупроводниковый кристалл, известный как полупроводник N-типа.

Сочетание примеси пятивалентного типа с чистым полупроводником обеспечивает наличие большого количества свободных электронов в полупроводниковом кристалле N-типа. Это означает, что полупроводники N-типа имеют большую концентрацию электронов. Примерами пятивалентных примесей являются мышьяк и сурьма.

Пентавалентные примеси также называют «примесью Донара». Их называют так, потому что они жертвуют / поставляют свободные электроны чистому полупроводнику, чтобы сделать его полупроводником N-типа.

Знаете ли вы, почему полупроводник, который вырабатывается донарными примесями, называется полупроводником N-типа? N означает отрицательно заряженный? Полупроводник N-типа не обладает отрицательным зарядом. Их называют полупроводниками N-типа, потому что большинство носителей заряда, присутствующих в полупроводниках этого типа, вызывающих поток тока, являются свободными электронами, которые заряжены отрицательно.

Полупроводник типа P

Когда мы добавляем незначительное количество трехвалентной примеси к чистому полупроводнику, тогда образуется полупроводниковый кристалл, который известен как P-тип полупроводника.

Комбинация трехвалентной примеси с чистым полупроводником обеспечивает наличие большого количества дырок в полупроводниковом кристалле P-типа. Примерами трехвалентных примесей являются галлий и индий. Такие примеси, которые производят полупроводники P-типа, известны как акцепторные примеси, потому что созданные дырки могут принимать электроны.

На картинке N тип полупроводника

Трехвалентные примеси также называют «примесью акцептора». Их называют так, потому что они принимают электрон и образуют дыры, чтобы сделать его полупроводником P-типа.

Они называются полупроводниками P-типа, потому что большинство носителей заряда, присутствующих в полупроводниках этого типа, вызывающих протекание тока, представляют собой дырки с положительным зарядом. В противоположность полупроводникам N-типа полупроводники P-типа имеют большую концентрацию дырок, чем концентрацию электронов.

Энергетические зоны внешних полупроводников

В внешних полупроводниках изменение температуры окружающей среды приводит к образованию неосновных носителей заряда. Кроме того, атомы легирующей примеси являются основными носителями. Во время рекомбинации большинство носителей уничтожают большинство этих неосновных носителей. Это приводит к снижению концентрации неосновных носителей.

Следовательно, это влияет на структуру энергетической зоны полупроводника. В таких полупроводниках существуют дополнительные энергетические состояния:

  • Энергетическое состояние за счет донорной примеси (ED)
  • Энергетическое состояние за счет акцепторной примеси (EA)

Приведенная выше диаграмма энергетических зон относится к полупроводнику Si n-типа. Здесь вы можете видеть, что уровень энергии донора (ED) ниже, чем у зоны проводимости (EC). Следовательно, электроны могут перемещаться в зону проводимости с минимальной энергией (~ 0,01 эВ). Кроме того, при комнатной температуре большинство донорных атомов и очень мало атомов Si ионизируются. Следовательно, в зоне проводимости больше всего электронов от донорных примесей.

Приведенная выше диаграмма энергетических зон представляет собой полупроводник Si-типа p-типа. Здесь вы можете видеть, что уровень энергии акцептора (EA) выше, чем у валентной зоны (EV). Следовательно, электроны могут перемещаться из валентной зоны на уровень Ea с минимальной энергией. Также при комнатной температуре большинство акцепторных атомов ионизируются.

Это оставляет дыры в валентной зоне. Следовательно, валентная зона имеет большинство дырок от примесей. Концентрация электронов и дырок в полупроводнике в тепловом равновесии составляет:

e × n h = n 2

Внутренний Полупроводник

Внутренний полупроводник — это самая чистая форма полупроводника, элементная, без каких-либо примесей. Естественно доступные элементы, такие как кремний и германий, являются лучшими примерами внутреннего полупроводника. Давайте узнаем их более подробно.

Структура решетки элементов внутреннего полупроводника

Их также называют алмазоподобными структурами. В таких структурах каждый атом окружен четырьмя соседними атомами. Теперь и Si, и Ge имеют четыре валентных электрона, и в кристаллической структуре каждый атом делит один из своих валентных электронов с каждым из своих четырех соседей.

Кроме того, он берет один электрон от каждого из своих соседей. Эта общая пара электронов называется ковалентной связью или валентной связью. Вот как структура Si или Ge выглядит в двумерном измерении с акцентом на ковалентную связь:

Также на изображении выше показана структура со всеми неповрежденными связями. Это возможно только при низких температурах. Когда температура увеличивается и больше энергии становится доступным для валентных электронов, они разрушаются, что приводит к увеличению проводимости элемента.

Теперь тепловая энергия ионизирует только несколько атомов. Эта ионизация создает вакансию в связи. Когда электрон с зарядом -q возбуждается за счет тепловой энергии, он освобождается от связи. Это оставляет вакансию там с эффективным зарядом + q. Эта вакансия с эффективным положительным электронным зарядом является дырой.

Дырка также ведет себя как свободная частица, но с положительным зарядом. В собственных полупроводниках число свободных электронов равно числу дырок и называется внутренней концентрацией носителей.

Внутренний полупроводник — движение отверстий

Другое интересное свойство полупроводников состоит в том, что, как и электроны, дырки тоже движутся. Рассмотрим следующее изображение:

На изображении выше вы можете видеть, что электрон, будучи возбужденным из-за тепловой энергии, отрывается от связи, генерируя свободный электрон. (Место1) В месте, где электрон высвобождается, создается дырка. Теперь представьте, что электрон из Места 2, как показано на рисунке, прыгает в дыру, созданную в Месте 1. Теперь дыра переместится из Места 1 в Место 2, как показано на рисунке ниже:

Важно отметить, что электрон, освобожденный из Зоны 1, не участвует в движении дыры. Он движется независимо, как электрон проводимости, вносящий вклад в электронный ток (Ie) под воздействием электрического поля. Кроме того, движение дыры на самом деле является движением связанных электронов.

Под электрическим полем эти отверстия движутся к отрицательному потенциалу, генерирующему ток отверстия (Ih). Следовательно, общий ток (I) составляет:

I = Ie + Ih

Еще одна важная вещь, которую следует помнить, это то, что помимо процесса генерации свободных электронов и дырок, процесс рекомбинации происходит одновременно. В этом процессе электроны рекомбинируют с дырками. В состоянии равновесия скорость генерации равна скорости рекомбинации.

Собственный полупроводник при T = 0K

При T = 0K собственный полупроводник будет вести себя как изолятор.

Конструктивно существует небольшая энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости в полупроводнике. Когда температура низкая, электроны не достаточно возбуждены, чтобы перейти в состояние с более высокой энергией. Изображение ниже объясняет, как при T = 0K электроны остаются в валентной зоне, и движение в зону проводимости отсутствует.

При повышении температуры при Т> 0К некоторые электроны возбуждаются. Эти электроны прыгают от валентности к зоне проводимости. Вот как это будет выглядеть:


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

meanderss.ru © 2020

Adblock
detector