Леговані напівпровідники LEIFIphysik

Леговані напівпровідники

Основні факти з першого погляду

Розрізняють напівпровідники з легуванням n та допирами p (коротше n- або p-напівпровідники).
У n-напівпровідниках вільно рухомі електрони створюються на тлі позитивних, нерухомих атомних ядер.
У разі p-напівпровідників, вільно рухомі "дірки" виникають на тлі негативних, нерухомих атомних ядер.

Фонд Йоахіма Герца Фонд Йоахіма Герца

Основне застосування напівпровідників (наприклад, для діодів і транзисторів) виникає лише тоді, коли високочисті кристали Si або Ge змішуються з елементами з III. або V основна група "забруднена" і, отже, їх провідність зросла. Один описує цільову установку елементів III. або V. основна група в кристалі германію або кремнію як Допінг.

Якщо, наприклад, пентавалентний елемент (наприклад, фосфор) вбудований у кристал кремнію, a n-напівпровідники, при встановленні тривалентного елемента (наприклад, бору) a р-напівпровідник.

n-напівпровідники

Пентавалентні атоми (наприклад: фосфор, миш'як або сурма) мають 5 валентних електронів. Чотири з цих зовнішніх електронів необхідні для включення в кристал кремнію (електронний парний зв’язок). П'ятий зовнішній електрон лише дуже слабо пов'язаний з позитивним атомним ядром чужорідного атома і від'єднується від нього з найменшим запасом енергії. Тоді залишається позитивне атомне ядро чужорідного атома (його також часто називають атомом-донором, оскільки він "постачає" електрон), яке показано темно-червоним кольором на анімації навпроти. На відміну від позитивної дірки у випадку власної провідності, позитивне атомне ядро чужорідного атома нерухомо, оскільки всі зв’язки вже насичені і немає електронного дефекту.

Включення донорного атома призводить до появи вільних рухомих електронів та стаціонарних позитивних атомних ядер.

До того ж, звичайно, існує також незначне явище самопровідності. Це призводить до руху електронів і дірок.

В цілому в мобільних носіях заряду в кристалі переважають негативні електрони (більшість носіїв). Тому кристал називають n-напівпровідником. Мобільні позитивні діри здаються набагато меншими (перевізники меншості).

Спрощення подання

Представлення кристала з його ґратчастими зв’язками є надто складним для подальших міркувань. Для того, щоб зрозуміти, як діоди та транзистори працюють, достатньо знати, що n-напівпровідники мають переважно електрони як мобільні носії заряду, які рухаються на тлі позитивних нерухомих зарядів (атомних ядер сторонніх атомів). Сусідня анімація показує спрощене представлення n-напівпровідника.

Фонд Йоахіма Герца

р-напівпровідник

Тривалентні атоми (наприклад, бор, галій або індій) мають лише 3 валентних електрона. Однак для включення в кристал кремнію (зв’язок електронних пар) потрібні чотири електрони. Якщо температури не надто низькі, то зараз існує велика ймовірність того, що чужорідний атом «виймає» електрон із навколишнього середовища для насичення зв’язку. Тому тривалентний чужорідний атом також називають акцепторним атомом. Таким чином, негативний стаціонарний заряд (синє кільце в анімації) створюється в місці розташування чужорідного атома і позитивної дірки поблизу стороннього атома, оскільки електрон вилучений з атома кремнію.

Встановлення акцепторного атома призводить до вільних, рухливих дірок та нерухомих негативних атомних ядер.

До того ж, звичайно, існує також незначне явище самопровідності. Це призводить до руху електронів і дірок.

В цілому позитивні дірки (більшість носіїв) переважають у кристалі серед мобільних носіїв заряду. Тому кристал називають p-напівпровідником. Рухомі негативні електрони (менші носії) виявляються набагато меншою мірою.

Спрощення подання

Представлення кристала з його ґратчастими зв’язками є надто складним для подальших міркувань. Ми також використовуємо спрощене зображення для p-напівпровідника, який відображає рухомі отвори у вигляді червоних кіл. Вони рухаються над фоном негативних стаціонарних зарядів (атомні ядра сторонніх атомів).