Примесная проводимость полупроводников

Определение

Примесная проводимость полупроводников — это вид электрической проводимости, возникающий в полупроводниках из-за введения в их кристаллическую решетку атомов посторонних элементов (примесей), которые либо создают свободные электроны, либо образуют вакансии для электронов (дырки).

Как возникает примесная проводимость

Чистые полупроводники, такие как кремний или германий, при комнатной температуре плохо проводят ток, так как все их внешние электроны заняты в ковалентных связях. Для увеличения проводимости в них добавляют очень малое количество примесных атомов. Эти примеси нарушают идеальную структуру кристалла и вносят в него либо дополнительные свободные электроны (донорные примеси), либо места, где не хватает электрона, так называемые «дырки» (акцепторные примеси). Эти электроны и дырки становятся свободными носителями заряда, способными перемещаться под действием электрического поля.

Электронная проводимость (n-тип)

Если в четырехзарядный кремний добавить пятизарядный фосфор, четыре электрона фосфора образуют связи с атомами кремния, а пятый электрон окажется «лишним». Этот электрон слабо связан с атомом фосфора и может легко оторваться, став свободным носителем заряда. Такие примеси называются донорными, а полупроводник с их добавлением — полупроводником n-типа, где основные носители заряда — электроны (от слова negative, отрицательный). Концентрация свободных электронов при этом значительно возрастает, а проводимость увеличивается.

Дырочная проводимость (p-тип)

Если в кремний добавить трехзарядный бор, то для образования полноценных связей с четырьмя соседними атомами кремния бору не хватает одного электрона. Возникает свободное место, «дырка», которая может быть заполнена электроном от соседнего атома. Таким образом, дырка перемещается по кристаллу, действуя как положительный заряд. Такие примеси называются акцепторными, а полупроводник — полупроводником p-типа, где основные носители заряда — дырки (от слова positive, положительный).

Управление проводимостью

Примесная проводимость позволяет очень точно управлять электрическими свойствами полупроводников. Варьируя тип и концентрацию примесей, можно изменять количество свободных носителей заряда (электронов или дырок) и, соответственно, изменять проводимость материала в очень широких пределах. Это фундаментальный принцип, лежащий в основе работы большинства современных электронных компонентов.

Как найти и применять

1. Определите тип основного полупроводника (например, кремний, германий).
2. Определите валентность основного полупроводника (например, кремний — четырехвалентный).
3. Определите валентность вводимой примеси.
4. Если валентность примеси больше валентности основного полупроводника (например, пятизарядный фосфор в четырехзарядном кремнии), то это донорная примесь, и полупроводник будет n-типа.
5. Если валентность примеси меньше валентности основного полупроводника (например, трехзарядный бор в четырехзарядном кремнии), то это акцепторная примесь, и полупроводник будет p-типа.
6. Установите, какие носители заряда являются основными: электроны для n-типа, дырки для p-типа.

Разбор задач

Задача 1

Определите тип проводимости полупроводника, если в чистый кремний (Si) добавили атомы сурьмы (Sb). Кремний находится в IV группе таблицы Менделеева, сурьма — в V группе.

1. Основной полупроводник — кремний (Si), четырехвалентный. 2. Примесь — сурьма (Sb), пятивалентная. 3. Валентность сурьмы (5) больше валентности кремния (4). 4. Атомы сурьмы являются донорными примесями, так как каждый атом сурьмы отдает один лишний электрон. 5. Следовательно, полупроводник будет обладать электронной проводимостью (n-типа).

Ответ: Полупроводник будет n-типа (электронная проводимость).

Задача 2

Какой вид примесной проводимости возникнет, если в германий (Ge) ввести немного атомов индия (In)? Германий — элемент IV группы, индий — III группы.

1. Основной полупроводник — германий (Ge), четырехвалентный. 2. Примесь — индий (In), трехвалентный. 3. Валентность индия (3) меньше валентности германия (4). 4. Атомы индия являются акцепторными примесями, так как каждый атом индия создает одну «дырку». 5. Следовательно, полупроводник будет обладать дырочной проводимостью (p-типа).

Ответ: Полупроводник будет p-типа (дырочная проводимость).

Где это встречается

• Диоды — Состоят из p-n перехода (соединения полупроводников p-типа и n-типа), который пропускает ток только в одном направлении. Используются в выпрямителях, для защиты электроники.
• Транзисторы — Основа всей современной электроники. Представляют собой структуры из трех слоев полупроводников разного типа (например, p-n-p или n-p-n), позволяющие усиливать или переключать электрические сигналы.
• Солнечные батареи — Используют p-n переходы для преобразования энергии света в электрическую энергию. Фотоны света выбивают электроны, создавая электрический ток.
• Светодиоды (LED) — При пропускании тока через p-n переход в определенных полупроводниках происходит излучение света. Отличаются высокой энергоэффективностью и долговечностью.
• Микросхемы — Все современные микропроцессоры, чипы памяти и другие интегральные схемы состоят из миллиардов транзисторов и диодов, созданных на основе материалов с примесной проводимостью.

Типичные ошибки

Не путать

• Собственная проводимость полупроводников — Собственная проводимость обусловлена тепловым возбуждением электронов в чистом полупроводнике, когда они покидают свои связи и создают дырки. Примесная проводимость возникает за счет добавления специально введенных атомов-примесей, которые создают либо избыток электронов, либо дырок.
• Проводимость металлов — В металлах проводимость обусловлена наличием большого количества свободных электронов в «электронном газе», которые изначально не связаны с конкретными атомами. В полупроводниках носители заряда (электроны и дырки) возникают в результате нарушения ковалентных связей или добавления примесей.
• Проводимость диэлектриков — Диэлектрики имеют очень мало свободных носителей заряда, их электроны прочно связаны с атомами, поэтому они практически не проводят ток. Полупроводники занимают промежуточное положение и их проводимость сильно зависит от температуры и примесей.

Откуда взялось понятие

Понимание и использование примесной проводимости стало краеугольным камнем в развитии полупроводниковой физики в середине XX века, что привело к созданию первого транзистора в 1947 году в Bell Labs Джоном Бардиным, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли.

Как запомнить

Примеси в полупроводниках — это как специи в блюде: их мало, но они полностью меняют вкус, то есть проводимость!