Полупроводники с дырочной проводимостью

Если в кристалле 4-валентного элемента часть атомов замещена атомами 3-валентного элемента (галлия Ga, алюминия Al, индия In), то для образования четырех ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона. Этот электрон может быть получен от атома основного элемента полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв связи приводит к появлению дырки (положительно заряженного иона германия или кремния). Подобная ситуация показана на рисунке 1, где ион бора отбирает электрон у соседнего атома германия

Кристаллическая решетка полупроводника с дырочной проводимостью
Рисунок 1. Упрощенное изображение процесса образования "дырки" в полупроводнике с примесью

Образовавшийся ион германия или кремния может отобрать электрон у соседнего атома. Таким образом дырка начинает перемещаться по полупроводнику. При этом отрицательно заряженный ион алюминия или бора остается на месте, встроенный в кристаллическую решетку полупроводника. При приложении электрического поля к p-полупроводнику дырки начинают перемещаться, образуя электрический ток. Тем самым проводимость p-полупроводников будет увеличиваться и зависеть от концентрации примеси.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называют акцепторными или акцепторами. Энергия активизации акцепторов составляет для германия 0,0102-0,0112 эВ и для кремния 0,045-0,072 эВ, что значительно меньше ширины запрещенной зоны беспримесного полупроводника. Следовательно, энергетические уровни примесных атомов располагаются вблизи валентной зоны (рисунок 1 б).

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

Ввиду малого значения энергии активизации акцепторов уже при комнатной температуре электроны из валентной зоны переходят на уровни акцепторов. Эти электроны, превращая примесные атомы в отрицательные ионы, теряют способность перемещаться по кристаллической решетке, а образовавшиеся при этом дырки могут участвовать в создании электрического тока.

За счет ионизации атомов исходного материала из валентной зоны часть электронов попадает в зону проводимости. Однако электронов в зоне проводимости значительно меньше, чем дырок в валентной зоне. Поэтому дырки в таких полупроводниках являются основными, а электроны — неосновными подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название полупроводников с дырочной электропроводностью или полупроводников р-типа. В состоянии теплового равновесия концентрация дырок в полупроводнике р-типа (pp0) и свободных электронов (np0) определяется из соотношений:

формула определения количества дырок        (1)
формула определения количества электронов        (2)

Из уравнений (1) и (2) следует, что для полупроводника р-типа выполняется неравенство Неравенство для p-полупроводника.

Если считать, что при комнатной температуре все акцепторные атомы ионизированы, т. е. pp0Na, np0 ≈ 0, то на основании соотношения можно записать:

формула определения количества дырок        (3)

где Na — концентрация акцепторных атомов в полупроводнике.

Соотношение (3) показывает, что уровень Ферми в полупроводнике р-типа располагается в нижней половине запрещенной зоны, так как Na >> ni, и при повышении температуры смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации атомов основного полупроводника.

Обратите внимание, что введение в полупроводник примесей приводит к увеличению концентрации одних носителей заряда и пропорциональному уменьшению концентрации других носителей заряда за счет роста вероятности их рекомбинации.

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 дырочной проводимостью" читают:

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

Полупроводники с электронной проводимостью
https://digteh.ru/foe/nsemicond/

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

Диффузионный ток
https://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 82 научных и научно-методических работ, в том числе 18 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика