Полупроводники с электронной проводимостью (n-полупроводники)

n-полупроводники — это полупроводники, электрический ток в которых образуется в основном электронами, n-полупроводники получили еще одно название — полупроводники с электронной проводимостью.

Один из вариантов получения n-полупроводников — это введение в полупроводник из 14-ой группы химических элементов, например, кремний Si, атомов из 15-й группы химических элементов. Такими материалами могут служить фосфор Р, сурьма Sb или мышьяк As. В случае двухэлементного полупроводника, такого как арсенид галлия GaAs, легирующими материалами для получения полупроводника n-типа являются атомы из 16-й группы химических элементов S, Se, Te или 14-й группы химических элементов Si, Sn.

Атомы примесей в n-полупроводнике замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки, как это показано на рисунке 1.

Замещение атомом фосфора атома германия в n-полупроводнике
Рисунок 1 Замещение атомом примеси основного атома в 4-валентном n полупроводнике

Четыре электрона атома фосфора вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов германия. Пятый валентный электрон слабо связан со своим атомом, и при передаче ему незначительной энергии, называемой энергией активации, отрывается от атома примеси и становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными или просто донорами. Материалы донорных примесей подбирают таким образом, чтобы их энергетические уровни Wд располагались в запрещенной зоне вблизи нижней границы зоны проводимости основного полупроводника как это показано на рисунке 2.

энергетическая диаграмма n-полупроводника
Рисунок 2 энергетическая диаграмма полупроводника с электронной проводимостью

Поскольку концентрация доноров в большинстве случаев не превышает 1015 ... 1017 атомов в 1 см3, что составляет 0,0001% атомов основного вещества, то взаимодействие между атомами доноров слишком слабо и их энергетические уровни не расщепляются на зоны.

Малая энергия генерации электронов, 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. 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 n-полупроводнике.

Если считать, что при комнатной температуре все атомы донорных примесей ионизированы (а это действительно так), то nn0 = Nд, и тогда можно записать выражение для уровня Ферми в следующем виде:

формула определения уровня Ферми в n-полупроводнике        (1)
где Wфn — уровень Ферми в n-полупроводнике;
    Wфi — уровень Ферми в полупроводнике с собственной проводимостью
    k — постоянная Больцмана;
    Nд — концентрация донорных атомов в полупроводнике.

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

График зависимости уровня Ферми в n-полупровонике от температуры
Рисунок 3. Смещение уровня Ферми в n-полупроводнике в зависимости от температуры

Повышение концентрации электронов в n-полупроводнике значительно снижает его удельное сопротивление. Например, чистый кремний электронного качества имеет удельное сопротивление ρ = 2×105 Ом·м, а легированный фосфором — (0,25 ... 0,4)×102 Ом·м.

Так как появление свободных электронов в зоне проводимости в n-полупроводнике не сопровождается одновременным увеличением "дырок", то концентрация электронов оказывается значительно больше концентрации "дырок". Это приводит к повышенной рекомбинации электронов с "дырками" и в результате уменьшению концентрации "дырок" по сравнению с их концентрацией в полупроводнике с собственной проводимостью.

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 n-полупроводнике концентрации свободных электронов (nn0) и дырок (pn0) определяются соотношениями:

формула определения количества электронов в n-полупроводнике        (2)
формула определения количества дырок в n-полупроводнике        (3)

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

Выводы. Введение в полупроводник донорных примесей приводит к:

  • увеличению концентрации электронов и увеличению проводимости n-полупроводника;
  • смещению уровня Ферми к зоне проводимости;
  • увеличению концентрации электронов и уменьшению концентрации дырок 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. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.
  4. Кремний. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Кремний
  5. Германий. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Германий
  6. Галлия Арсенид — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия url:https://megabook.ru/article/Галлия%20Арсенид
  7. Арсенид галлия. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Арсенид_галлия

Вместе со статьей "Полупроводники с электронной 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 дырочной проводимостью
https://digteh.ru/foe/semicond/p/

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 ... 2020

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