Электроны и «дыры»

Чистые полупроводники - относительно хорошие изоляторы по сравнению с металлами, хотя и далеко не так хороши, как настоящий изолятор, такой как стекло. Чтобы быть полезным в полупроводниковых приложениях, собственный полупроводник (чистый нелегированный полупроводник) должен содержать не более одного примесного атома на 10 миллиардов атомов полупроводника. Это аналог крупинки соли в железнодорожном вагоне сахара. Нечистые или грязные полупроводники значительно более электропроводны, хотя и не так хороши, как металлы. Почему это могло быть? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны взглянуть на электронную структуру таких материалов на рисунке ниже.

Электронная структура

На рисунке ниже (а) показаны четыре электрона в валентной оболочке полупроводника, образующие ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это уплощенная версия рисунка выше, которую легче рисовать. Все электроны атома связаны четырьмя ковалентными связями, парами общих электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Таким образом, собственные чистые полупроводники являются относительно хорошими изоляторами по сравнению с металлами.

(а) Собственный полупроводник - это изолятор, имеющий полную электронную оболочку. (б) Однако тепловая энергия может создать небольшое количество электронно-дырочных пар, что приведет к слабой проводимости.

Тепловая энергия может иногда освобождать электрон из кристаллической решетки, как показано на рисунке выше (b). Этот электрон свободен для проводимости по кристаллической решетке. Когда электрон был освобожден, он оставил пустое место с положительным зарядом в кристаллической решетке, известное как дыра . . Это отверстие не крепится к решетке; но может свободно передвигаться. Свободный электрон и дырка вносят свой вклад в проводимость по кристаллической решетке. То есть электрон свободен, пока не упадет в дырку. Это называется рекомбинацией . . Если к полупроводнику приложить внешнее электрическое поле, электроны и дырки будут проводить в противоположных направлениях. Повышение температуры увеличивает количество электронов и дырок, уменьшая сопротивление. Это противоположно металлам, где сопротивление увеличивается с температурой из-за увеличения столкновений электронов с кристаллической решеткой. Число электронов и дырок в собственном полупроводнике равно. Однако оба носителя не обязательно движутся с одинаковой скоростью при приложении внешнего поля. Другими словами, мобильность это не одно и то же для электронов и дырок.

Полупроводниковые примеси

Чистые полупроводники сами по себе не особенно полезны. Тем не менее, полупроводники должны быть очищены до высокого уровня чистоты в качестве отправной точки перед добавлением определенных примесей.

Полупроводниковый материал, чистый до 1 части на 10 миллиардов, может содержать определенные примеси, добавленные в количестве приблизительно 1 часть на 10 миллионов для увеличения количества носителей. Добавление желаемой примеси в полупроводник известно как легирование . . Легирование увеличивает проводимость полупроводника, поэтому он больше похож на металл, чем на изолятор.

Можно увеличить количество отрицательных носителей заряда в кристаллической решетке полупроводника за счет легирования электронным донором как Phosphorus. Доноры электронов, также известные как N-тип В состав легирующих примесей входят элементы VA группы Менделеева:азот, фосфор, мышьяк и сурьма. Азот и фосфор являются присадками N-типа для алмаза. Вместе с кремнием используются фосфор, мышьяк и сурьма.

Кристаллическая решетка на рисунке ниже (b) содержит атомы, имеющие четыре электрона на внешней оболочке, образующие четыре ковалентные связи с соседними атомами. Это ожидаемая кристаллическая решетка. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешнюю оболочку вводит дополнительный электрон в решетку по сравнению с атомом кремния. Пятивалентная примесь образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с четырьмя из пяти электронов, вписываясь в решетку с одним оставшимся электроном. Обратите внимание, что этот запасной электрон не сильно связан с решеткой, как электроны нормальных атомов Si. Он может свободно перемещаться по кристаллической решетке, не будучи привязанным к узлу решетки фосфора. Поскольку мы допировали одну часть фосфора в 10 миллионах атомов кремния, было создано мало свободных электронов по сравнению с многочисленными атомами кремния. Однако было создано много электронов по сравнению с меньшим количеством электронно-дырочных пар в собственном кремнии. Приложение внешнего электрического поля создает сильную проводимость в легированном полупроводнике в зоне проводимости (выше валентной зоны). Более высокий уровень легирования обеспечивает более сильную проводимость. Таким образом, собственный полупроводник с плохой проводимостью был преобразован в хороший электрический проводник.

(a) Электронная конфигурация внешней оболочки донорного фосфора N-типа, кремния (для справки) и акцепторного бора P-типа. (б) Донорная примесь N-типа создает свободные электроны (в) Акцепторная примесь P-типа создает дырку, носитель положительного заряда.

Также можно ввести примесь без электрона по сравнению с кремнием, имеющую три электрона на валентной оболочке по сравнению с четырьмя для кремния. На рисунке выше (c) остается пустое место, известное как отверстие . , носитель положительного заряда. Атом бора пытается соединиться с четырьмя атомами кремния, но имеет только три электрона в валентной зоне. Пытаясь образовать четыре ковалентные связи, три электрона перемещаются, пытаясь образовать четыре связи. Это заставляет отверстие двигаться. Кроме того, трехвалентный атом может заимствовать электрон от соседнего (или более удаленного) атома кремния с образованием четырех ковалентных связей. Однако это оставляет атом кремния дефицитным на один электрон. Другими словами, отверстие переместилось к соседнему (или более удаленному) атому кремния. Дыры находятся в валентной зоне, на уровне ниже зоны проводимости. Допирование электронным акцептором , атом, который может принять электрон, создает недостаток электронов, такой же, как избыток дырок. Поскольку дырки являются носителями положительного заряда, примесь акцептора электронов также известна как P-тип допант. Легирующая примесь P-типа покидает полупроводник с избытком дырок, носителей положительного заряда. Элементы P-типа из группы IIIA периодической таблицы включают бор, алюминий, галлий и индий. Бор используется в качестве легирующей примеси P-типа для кремния и алмазных полупроводников, а индий используется с германием.

Аналогия «мрамора в трубке» с электронной проводимостью на рисунке ниже связывает движение дырок с движением электронов. Мрамор представляет собой электроны в проводнике, трубке. Движение электронов слева направо, как в проводе или полупроводнике N-типа, объясняется тем, что электрон, входящий в трубку слева, вынуждает выходить электрон справа. Проводимость электронов N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением дыры в валентной зоне.

Мрамор в аналоге трубки:(а) Электроны движутся прямо в зоне проводимости, когда электроны входят в трубку. (б) Дырка движется вправо в валентной зоне по мере того, как электроны движутся влево.

Чтобы отверстие вошло в левую часть рисунка выше (b), электрон должен быть удален. При перемещении отверстия слева направо электрон должен перемещаться справа налево. Первый электрон выбрасывается из левого конца трубки, так что отверстие может переместиться вправо в трубку. Электрон движется в направлении, противоположном положительной дырке. По мере того, как отверстие перемещается дальше вправо, электроны должны перемещаться влево, чтобы приспособиться к отверстию. Дырка при отсутствии электрона в валентной зоне из-за легирования P-типа. Имеет локализованный положительный заряд. Чтобы переместить отверстие в заданном направлении, валентные электроны движутся в противоположном направлении.

Электронный поток в полупроводнике N-типа похож на движение электронов в металлической проволоке. Атомы примеси N-типа будут давать электроны, доступные для проводимости. Эти электроны из-за примеси известны как основные носители . , поскольку их больше, чем очень мало тепловых дыр. Если электрическое поле приложено к полупроводниковому стержню N-типа на рисунке ниже (а), электроны входят в отрицательный (левый) конец стержня, пересекают кристаллическую решетку и выходят справа к (+) клемме батареи.

(а) Полупроводник n-типа с электронами, движущимися слева направо через кристаллическую решетку. (б) Полупроводник p-типа с дырками, движущимися слева направо, что соответствует электронам, движущимся в противоположном направлении.

Течение тока в полупроводнике P-типа объяснить немного сложнее. Примесь P-типа, акцептор электронов, дает локализованные области положительного заряда, известные как дырки. Основным носителем в полупроводнике P-типа является дырка. В то время как дырки образуются в узлах трехвалентных атомов примеси, они могут перемещаться по полупроводниковой планке. Обратите внимание, что батарея на рисунке выше (b) перевернута по сравнению с (a). Положительный полюс аккумуляторной батареи подключается к левому концу шины P-типа. Электронный поток выходит из отрицательной клеммы батареи через стержень P-типа, возвращаясь к положительной клемме батареи. Электрон, покидающий положительный (левый) конец полупроводниковой шины для положительного вывода аккумуляторной батареи, оставляет отверстие в полупроводнике, которое может перемещаться вправо. Отверстия пересекают кристаллическую решетку слева направо. На отрицательном конце стержня электрон от батареи соединяется с отверстием, нейтрализуя его. Это дает возможность продвинуться еще одной дыркой на положительном конце стержня справа. Имейте в виду, что при движении дырок слева направо именно электроны, движущиеся в противоположном направлении, ответственны за кажущееся движение дырок.

Элементы, используемые для производства полупроводников

Элементы, используемые для производства полупроводников, приведены на рисунке ниже. Самый старый объемный полупроводниковый материал группы IVA германий сегодня используется лишь в ограниченном объеме. Полупроводники на основе кремния составляют около 90% промышленного производства всех полупроводников. Полупроводники на основе алмаза - это исследования и разработки со значительным потенциалом в настоящее время. Не указанные в списке составные полупроводники включают кремний-германий (тонкие слои на кремниевых пластинах), карбид кремния и соединения III-V, такие как арсенид галлия. Полупроводники соединения III-VI включают AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al _x Ga _1-x Как и В _x Ga _1-x В виде. Столбцы II и VI периодической таблицы, не показанные на рисунке, также образуют сложные полупроводники.

Легирующие добавки P-типа группы IIIA, основные полупроводниковые материалы группы IV и легирующие добавки N-типа группы VA.

Основная причина включения групп IIIA и VA на рисунок выше - показать легирующие примеси, используемые с полупроводниками группы IVA. Элементы группы IIIA представляют собой акцепторы, легирующие примеси P-типа, которые принимают электроны, покидающие дырку в кристаллической решетке, положительный носитель. Бор - это легирующая добавка P-типа для алмаза и наиболее распространенная легирующая добавка для кремниевых полупроводников. Индий является легирующей примесью P-типа германия.

Элементы группы VA являются донорами, легирующими добавками N-типа, дающими свободный электрон. Азот и фосфор являются подходящими присадками N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее часто используемыми легирующими добавками N-типа для кремния; однако можно использовать сурьму.

ОБЗОР:

• Внутренние полупроводниковые материалы, чистые до 1 части из 10 миллиардов, являются плохими проводниками.
• Полупроводник N-типа легирован пятивалентной примесью для создания свободных электронов. Такой материал токопроводящий. Электрон является основным носителем.
• Полупроводник P-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет большое количество свободных дырок. Это носители положительного заряда. Материал P-типа является проводящим. Дыра является основным носителем.
• Большинство полупроводников основано на элементах из группы IVA Периодической таблицы Менделеева, кремний является наиболее распространенным. Германий практически устарел. Углерод (алмаз) находится в стадии разработки.
• Широко используются сложные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист "Электропроводность в полупроводниках"