Полупроводники с дырочной проводимостью

Полупроводники, в которых концентрация "дырок" превышает концентрацию свободных электронов, называются полупроводниками, с дырочной электропроводностью или полупроводниками p-типа.

Если в кристалле 4-валентного элемента часть атомов замещена атомами 3-валентного элемента (бор B, алюминий Al, галлий Ga или индий In), то для образования четырех ковалентных связей у атома примеси не хватает одного электрона. Этот электрон обычно отбирается у соседнего атома основного элемента полупроводника. Это приводит к появлению дырки (положительно заряженного иона германия, кремния или углерода в карбиде кремния SiC).

Подобная ситуация происходит и в двухэлементных полупроводниках AIIIBV типа, таких как арсенид галлия GaAs, нитрид галлия GaN, антимонид индия InSb или арсенид алюминия AlAs. Для создания из этих полупроводниковых материалов монокристаллов p-типа, в них добавляют цинк Zn или бериллий Be.

Упрощенное отображение кристаллической решётки полупроводника p-типа на плоскость показано на рисунке 1,

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

На этом рисунке ион бора отбирает электрон у соседнего атома германия. 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 подаче на p-полупроводник электрического напряжения дырки начинают перемещаться, образуя электрический ток.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, получили название акцепторные примеси или просто акцепторы. 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 чистого полупроводника электронного качества. Энергетические уровни атомов примеси в p-полупроводнике располагаются вблизи валентной зоны как это показано на рисунке 2.

Энергетическая диаграмма полупроводника с дырочной проводимостью
Рисунок 2 Энергетическая диаграмма p-полупроводника

Ввиду малого значения энергии активизации акцепторов уже при комнатной температуре все электроны из валентной зоны переходят на уровни акцепторов. В результате проводимость p полупроводника практически полностью зависит от концентрации в нём примеси.

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        (1)
где WФp — уровень Ферми в p-полупроводнике;
    WФi — уровень Ферми в полупроводнике с собственной проводимостью
    k — постоянная Больцмана;
    T — температура в градусах Кельвина;
    Nа — концентрация акцепторных атомов в полупроводнике.
    ni — концентрация электронов в полупроводнике с собственной проводимостью.

Малая энергия генерации электронов приводит к тому, что в p-полупроводниках уровень Ферми располагается в середине зоны, находящейся между энергетическим уровнем акцептора и верхней границей валентной зоны. Однако при увеличении температуры из-за ионизации основных атомов полупроводника уровень Ферми постепенно смещается к середине запрещенной зоны. Этот процесс показан на рисунке 3.

Зависимость уровня Ферми от температуры в полупроводнике с дырочной проводимостью
Рисунок 3 Смещение уровня Ферми в p-полупроводнике в зависимости от температуры

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.

В состоянии теплового равновесия концентрация дырок в полупроводнике р-типа из соотношения:

формула определения количества дырок        (2)

а концентрация свободных электронов выражением:

формула определения количества электронов        (3)

Справедливость этих выражений иллюстрируется кривой вероятности Ферми, приведенной на рисунке 2, где видно, что вероятность появления свободных электронов намного меньше вероятности появления свободных электронов в полупроводнике с собственной проводимостью и практически равна нулю.

Выводы. Введение в полупроводник акцепторных примесей приводит к:

  • увеличению концентрации "дырок" и увеличению проводимости p-полупроводника;
  • смещению уровня Ферми к валентной зоне;
  • увеличению концентрации "дырок" и уменьшению концентрации электронов за счет роста вероятности их рекомбинации

Дата последнего обновления файла 29.06.2020

Литература:

  1. ГОСТ 22622-77 Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров (с Изменением N 1)
  2. О.Б. Яценко, И.Г. Чудотворцев, М.К. Шаров Основы физики и химии полупроводников. Часть II Учебное пособие для вузов — Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета. 2007
  3. Германий. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Германий
  4. Галлия Арсенид — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия url:https://megabook.ru/article/Галлия%20Арсенид
  5. Арсенид галлия. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Арсенид_галлия
  6. Нитрид галлия. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Нитрид_галлия
  7. М.Д. Вилисова, А.Е. Куницын, Л.Г. Лаврентьева, В.В. Преображенский, М.А. Путято, Б.Р. Семягин, С.Е. Торопов, В.В. Чалдышев Легирование слоев GaAs кремнием в условиях низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 9 стр.1025-1030
  8. А.Е. Куницын, В.В. Чалдышев, С.П. Вуль, В.В. Преображенский, М.А. Путято, Б.Р. Семягин Влияние легирования индием на формирование комплексов кремний–вакансия галлия в арсениде галлия, выращенном методом молекулярно-лучевой эпитаксии при низкой температуре Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 10 стр.1187-1191
  9. Точечные Дефекты — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия url:https://megabook.ru/article/Точечные%20Дефекты

Вместе со статьей "Полупроводники с дырочной проводимостью" читают:

Основы квантовой теории строения атома
https://digteh.ru/foe/atom/

Получение чистых полупроводников электронного качества
https://digteh.ru/foe/semicond/produce/

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

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

Зонная теория проводимости
https://digteh.ru/foe/zon_teor/

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