Полупроводники с электронной проводимостью

При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов (фосфора Р, сурьмы Sb) атомы примесей замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки (рисунок 1 а). Четыре электрона атома примеси вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов основного полупроводника. Пятый валентный электрон слабо связан со своим атомом и при сообщении ему незначительной энергии, называемой энергией активации, отрывается от атома и становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными или просто донорами. Доноры подбирают таким образом, чтобы их энергетические уровни Wд располагались в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости основного полупроводника (рисунок 1 б).

Кристаллическая решетка полупроводника с электронной проводимостью
Рисунок 1 Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с электронной проводимостью

Поскольку концентрация доноров в большинстве случаев не превышает 1015 ... 1017 атомов в 1 см3, что составляет 10-4% атомов основного вещества, то взаимодействие между атомами доноров отсутствует и их энергетические уровни не разбиваются на зоны.

Малая энергия активизации примесей, равная 0,04 ... 0,05 эВ для кремния и 0,01 ... 0,13 эВ для германия, уже при комнатной температуре приводит к полной ионизации 5-валентных атомов примесей и появлению в зоне проводимости свободных электронов. Поскольку в этом случае появление свободных электронов в зоне проводимости не сопровождается одновременным увеличением дырок в валентной зоне, в таком полупроводнике концентрация электронов оказывается значительно больше концентрации дырок. Дырки в полупроводниках образуются только в результате разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества.

Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками с электронной электропроводностью или полупроводниками n-типа.

Подвижные носители заряда, преобладающие в полупроводнике, называют основными. Соответственно те носители заряда, которые находятся в меньшем количестве, называются неосновными для данного типа полупроводника. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки. В состоянии теплового равновесия в таком полупроводнике концентрации свободных электронов (nn0) и дырок (pn0) определяются соотношениями:

формула определения количества электронов в n-полупроводнике        (1)
формула определения количества дырок в n-полупроводнике        (2)

Выражения (1) и (2) можно представить в следующем виде:

Количество электронов в n-полупроводнике        (3)
Количество дырок в n-полупроводнике        (4)

Из этих соотношений следует, что для полупроводника n-типа выполняется неравенство Неравенство количества зарядов в n-полупроводнике

Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону, превращаются в положительные ионы. В отличие от дырок, положительные ионы прочно связаны с кристаллической решеткой основного полупроводника, являются неподвижными положительными зарядами и, следовательно, не могут принимать непосредственное участие в создании электрического тока в полупроводнике.

Если считать, что при комнатной температуре все атомы донорных примесей ионизированы (nn0 = Nд, pn0 ≈ 0), на основании выражения (3) можно записать:

формула определения количества электронов в n-полупроводнике        (5)

где Nд — концентрация донорных атомов в полупроводнике.

Из соотношения (5) видно, что в полупроводниках n-типа уровень Ферми располагается в верхней половине запрещенной зоны, и тем ближе к зоне проводимости, чем больше концентрация доноров. При увеличении температуры уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации основных атомов полупроводника.

Повышение концентрации электронов в данном полупроводнике значительно снижает его удельное сопротивление. Например, чистый кремний имеет удельное сопротивление ρ = 2×103 Ом/м, а легированный фосфором — (0,25 ... 0,4)×102 Ом/м.

Дата последнего обновления файла 19.11.2019

Литература:

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. - М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
  3. Батушев В. А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
  4. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Методические указания и контрольные задания. СибГУТИ, 2002.

Вместе со статьей "Полупроводники с электронной проводимостью" читают:

Полупроводники с собственной проводимостью
http://digteh.ru/foe/semicond/

Полупроводники с дырочной проводимостью
http://digteh.ru/foe/psemicond/

Дрейфовый ток
http://digteh.ru/foe/dreif_i/

Диффузионный ток
http://digteh.ru/foe/diffuz_i/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2019

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 70 научных и научно-методических работ, в том числе 16 книг.

Рейтинг@Mail.ru


Яндекс.Метрика