какая примесь называется донорной а какая акцепторной

Разница между Донорными и Акцепторными примесями

Основное различие между Донорными и Акцепторными примесями заключается в том, что элементы в группе V периодической таблицы элементов обычно действуют как Донорные примеси (отдающие), тогда как элементы в группе III обычно действуют как Акцепторные примеси (принимающие).

Легирование полупроводников — это процесс, при котором добавляются примеси в полупроводник. Легирование используется для увеличения проводимости полупроводника. Существует две основные формы примесей: Донорные и Акцепторные. При д онорном легировании добавляются Донорные примеси, тогда как при акцепторном легировании добавляются Акцепторые примеси.

Содержание

Что такое Донорная примесь?

Донорные примеси — это донорные (отдающие) химические элементы, добавляемые к полупроводнику для увеличения его электропроводности. Элементы в V группе периодической таблицы элементов являются общими донорными примесями. Донором является атом или группа атомов, которые могут образовывать области n-типа (от англ. «negativ» — что переводится как «отрицательный») при добавлении в полупроводник. Типичным примером является кремний (Si).

Кремний с Донорной примесью фосфора

К элементам V группы, которые часто служат в качестве донорных примесей, относятся мышьяк (As), фосфор (P), висмут (Bi) и сурьму (Sb). Эти элементы имеют пять электронов в своей внешней электронной оболочке (у них есть пять валентных электронов). При добавлении одного из этих примесных элементов к кремнию, образуется четыре ковалентные связи.

Но теперь есть свободный электрон, так как было пять валентных электронов. Этот электрон так и останется свободным электроном, что увеличит проводимость полупроводника. Число примесных атомов определяет количество свободных электронов, присутствующих в доноре.

Что такое Акцепторная примесь?

Акцепторная примесь представляют собой акцепторные (принимающие) химические элементы, добавляемые в полупроводник для увеличения его электропроводности. Элементы в III группе периодической таблицы элементов используются в качестве акцепторных примесей. Эти э лементы включают алюминий (Al), бор (B) и галлий (Ga). Акцептор представляет собой легирующую примесь, которая образует области р-типа (от англ. «positiv» — что переводится как «положительный») при добавлении в полупроводник. А томы акцепторных примесей имеют три валентных электрона в своих внешних электронных оболочках.

При добавлении в полупроводник акцепторного атома примеси, например такого как алюминий, он заменяет атомы кремния в полупроводнике. Перед этим атом кремния имеет вокруг себя четыре ковалентные связи. Когда атом алюминия занимает положение кремния, этот атом алюминия образует только три ковалентные связи, что, в свою очередь, приводит к образованию свободной вакансии ковалентной связи у соседних атомов. Эта свободная вакансия называется дыркой. Из соседней ковалентной связи на место свободной дырки может перескочить электрон. Эти дырки используются при прохождении электричества через полупроводник. При прохождении электричества в полупроводнике происходит хаотическое блуждание дырок.

В чем разница между Донорными и Акцепторными примесями?

Заключение — Донорные против Акцепторных примесей

Полупроводники — это материалы, занимающие промежуточное место между диэлектриками, который не является проводником, и проводниками. Доноры и Акцепторы — это легирующие примеси, которые образуют проводящие электрический ток области в полупроводниках. Легирование Донором или Акцептором — это процессы, которые увеличивают электропроводность полупроводника. Основное различие между Донорными и Акцепторными примесями заключается в том, что элементы в III группе периодической таблицы действуют как Донорные примеси, тогда как элементы в V группе действуют как Акцепторные примеси.

Источник

Какая примесь называется донорной а какая акцепторной

Удельная проводимость полупроводников в сильной степени зависит от вида и количества содержащихся в них примесей и дефектов. Для них характерна чувствительность к свету, электрическому и магнитному полю, радиационному воздействию, давлению. К ним относятся многие химические элементы и химические соединения: простые вещества (германий, кремний; селен, теллур, бор, фосфор, сера, сурьма, мышьяк), окислы и сульфиды многих металлов (NiO, Cu₂O, CuO, CdO, PbS), тройные соединения (CuSbSr, CuFeSe₂, PbBiSe₃), твердые растворы (GeSi, GaAs_1-x P_x), органические красители и другие материалы (анрацен, фталоцианин, нафталин и другие).

Свободными носителями заряда в полупроводниках, как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атомов самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость).

где n и μ _n – концентрация и подвижность электронов,

p и μ _p – концентрация и подвижность дырок.

Подвижность носителей заряда представляет скорость, приобретаемую свободной частицей в электрическом поле единичной напряженности

Подвижность электронов, как правило, больше чем подвижность дырок

Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, занимают уровни в запретной зоне вблизи дна зоны проводимости. Они называются донорными. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, располагаются на уровнях в запретной зоне вблизи потолка валентной зоны и называются акцепторными (рисунок 9.1). Для полупроводников 4-й группы (Si, Ge) донорные примеси это некоторые элементы 5-й группы (P, As), акцепторные – некоторые элементы 3-й группы (B, Al,Ga)

Рис. 9.1. Энергетические диаграммы полупроводников, содержащих донорные – а) и акцепторные – б) примеси

При низких температурах преобладает рассеяние на примесях, и подвижность μ изменяется согласно выражению

где a – параметр полупроводника.

При повышении температуры скорость носителей заряда возрастает, приводя к уменьшению времени нахождения носителя заряда под влиянием поля рассеивающих заряженных примесных атомов и увеличению подвижности частицы (рисунок 9.2).

Рис. 9.2. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры для примесного полупроводника

При высоких температурах преобладает рассеяние на тепловых колебаниях решетки, и подвижность μ изменяется согласно выражению

При увеличении температуры поперечное сечение объема, в котором колеблется атом решетки, увеличивается и таким образом вероятность рассеивания носителя заряда становится больше.

В примесном полупроводнике проявляются обе составляющие, и зависимость подвижности от температуры определяется выражением

Для примесных полупроводников

где Δ W_п – энергия ионизации примеси; В – константа, не зависящая от температуры.

С ростом температуры происходит увеличение степени ионизации примесных атомов, приводя к увеличению концентрации носителей заряда (рисунок 9.3). Начиная с некоторой температуры все примесные атомы ионизованы, и в интервале температур концентрация носителей заряда остается постоянной (область истощения примесей). При достижении определенной температуры концентрация носителей заряда снова увеличивается за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости (собственные носители заряда).

Рис. 9.3. Зависимость концентрации носителей заряда от температуры в примесных полупроводниках для различных степеней легирования

В области собственной проводимости удельная проводимость полупроводника зависит от температуры согласно выражению:

В области примесной электропроводности удельная проводимость определяется выражением:

Уменьшение удельной проводимости на участке 2 приведенной зависимости (рисунок 9.4) связано с истощением примесных уровней и рассеянием носителей на фононах (тепловых колебаниях решетки) и дефектах решетки при увеличении температуры.

Рис. 9.4. Зависимость удельной проводимости от температуры для примесных полупроводников при различных степенях легирования

Избыточные носители, диффундируя от места генерации за время жизни, преодолевают некоторое расстояние L до тех пор, пока их концентрация уменьшится в «е» раз. Это расстояние называется диффузионной длиной, которая определяется по формуле

Выпрямительными свойствами обладает лишь p-n переход и контакт полупроводника с другими металлами. p-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. В цепи с переменным электрическим полем p-n переход работает как выпрямитель.

Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС Холла на гранях полупроводникового бруска с током, помещенного в магнитное поле. Величина ЭДС Холла определяется векторным произведением тока I и магнитной индукции B. На рисунке 9.6 изображен случай дырочного полупроводника.

Знак ЭДС Холла легко определить по правилу левой руки. Отогнув в сторону большой палец, найдем направление смещения основных носителей заряда для данного типа полупроводника. Рассчитывается ЭДС Холла так

где R_x – постоянная Холла R=-A/(nq) – для n-полупроводника, R=B/(pq) – для p-полупроводника, n и p концентрации электронов и дырок); A и B – коэффициенты, значения которых от 0.5 до 2.0 для различных образцов. В сильных полях или для вырожденных полупроводников A=B=1.0.

Эффект Ганна – относится к эффектам сильного поля и заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник электрического поля высокой напряженности. Впервые этот эффект наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InP. На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие в диапазоне частот до сотен ГГц.

Фотоэлектрический эффект. При облучении полупроводников светом в них можно возбудить проводимость. Фототок с энергией h υ большей или равной ширине запрещенной зоны Δ W _o переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся при этом пара электрон-дырка является свободной и участвует в создании проводимости.

Таким образом, если h υ Δ W_o – для собственных полупроводников, h υ Δ W_п – для примесных полупроводников, то появляются добавочные носители тока и проводимость повышается. Эта добавочная проводимость называется фотопроводимостью. Основная проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей тока называется темновой проводимостью.

Вопрос. Какая ширина запрещенной зоны у полупроводников?

Ответ. По ширине запрещенной зоны к полупроводникам относят вещества, ширина запрещенной зоны которых лежит в диапазоне 0.1 – 3.0 эВ.

Вопрос. От чего сильно зависит удельная проводимость полупроводников?

Ответ. Удельная проводимость полупроводников зависит от вида и количества содержащихся в них примесей и дефектов. Для них характерна чувствительность к свету, электрическому и магнитному полю, радиационному воздействию, давлению и др.

Вопрос. Какие материалы относятся к полупроводникам?

Ответ. Простые вещества: германий, кремний; селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк; окислы и сульфиды многих металлов: NiO, Cu2O, CuO, CdO, PbS ; тройные соединения: CuSbSr, CuFeSe2, PbBiSe3 и др.; твердые растворы GeSi, GaAs1-x Px и др.; органические красители и другие материалы: анрацен, фталоцианин, нафталин…

Вопрос. Какие примеси называются донорными?

Ответ. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости.

Вопрос. Какие примеси называются акцепторными?

Ответ. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны.

Вопрос. Что представляет собой p-n переход?

Ответ. p-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике.

Вопрос. В чем состоит эффект Холла?

Ответ. Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС Холла на гранях полупроводникового бруска с током, помещенного в магнитное поле.

Вопрос. В чем состоит эффект Ганна?

Ответ. Эффект Ганна относится к эффектам сильного поля и заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник электрического поля высокой напряженности.

Вопрос. Что такое темновая проводимость?

Ответ. Основная проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей тока называется темновой проводимостью.

Вопрос. Что такое фотопроводимость?

Ответ. Добавочная проводимость, возникающая при облучении полупроводника светом, называется

Источник

1.5. Примесные полупроводники

В полупроводниках, состоящих из атомов одного химического элемента, примесями являются чужеродные атомы, которые замещают часть основных атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки.

В полупроводниках, состоящих из атомов нескольких химических элементов, примесями могут быть как чужеродные атомы, так и избыточные по отношению к стехиометрическому составу атомы химических элементов, образующих сложный полупроводник.

Механизм примесной электропроводности зависит от типа используемой примеси.

Рассмотрим кристалл кремния, в котором часть основных атомов кристаллической решетки замещена примесными атомами фосфора. У атома фосфора пять валентных электронов, четыре из которых участвуют в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый электрон оказывается избыточным. Из-за большой диэлектрической проницаемости полупроводника кулоновское притяжение избыточного электрона ядром фосфора в значительной мере ослаблено, поэтому радиус орбитали избыточного электронаоказывается большим и может доходить до несколько межатомных расстояний (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Внедрение донорной примеси в кристалл кремния

Минимальная энергия, которую необходимо сообщить избыточному электрону донорной примеси, чтобы сделать его свободным, называется энергией ионизации донорной примеси. Энергию ионизации донорной примеси можно оценить на основе простой модели, подобной боровской модели водородоподобного атома. Согласно этой модели избыточный электрон примесного атома движется по круговой орбите в кулоновском поле сил положительного иона, ослабленном диэлектрическими свойствами кристалла полупроводника. Учитывая относительную диэлектрическую проницаемость ε полупроводника и используя в качестве массы электрона его эффективную массу в кристалле, получим выражение для энергии ионизации донорной примеси:

Энергии ионизации других донорных примесей в кремнии и германии являются величинами того же порядка, что и для фосфора (см. табл. 1.1).

Значение энергии ионизации пятивалентных примесей в германии и кремнии

Значения энергии ионизации трехвалентных примесей в германии и кремнии

Рис. 1.14. Внедрение акцепторной примеси в кристалл кремния

Минимальная энергия, необходимая атому-акцептору, чтобы захватить у соседнего атома кристаллической решетки электрон, недостающий для образования устойчивой электронной оболочки, называется энергией ионизации акцепторной примеси.

Численно величина энергии ионизации акцепторной примеси близка к энергии ионизации донорной примеси (см. табл. 1.2).

Полупроводник, у которого концентрации донорной и акцепторной примесей равны, называется скомпенсированным полупроводником. Скомпенсированный полупроводник имеет такую же удельную проводимость, как и собственный, но отличается от последнего рядом электрофизических параметров, поскольку наличие примесей вызывает искажения кристаллической решетки.

С точки зрения модели энергетических зон примеси или дефекты кристаллической решетки создают энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне, разделяющей валентную энергетическую зону и зону проводимости. Процентное содержание примесных атомов обычно очень мало, а расстояния между ними достаточно велики, следовательно, по отношению друг к другу их можно рассматривать как изолированные атомы, энергетические уровни которых не расщепляются и не образуют энергетических зон.

Донорная примесь образует локальный энергетический уровень (донорный уровень), расположенный в запрещенной энергетической зоне вблизи дна зоны проводимости, занятый в невозбужденном состоянии электроном. При возбуждении донорная примесь отдает электрон в зону проводимости. Расстояние между донорным уровнем и дном зоны проводимости равно энергии ионизации донорной примеси.

Акцепторная примесь образует локальный энергетический уровень (акцепторный уровень), расположенный в запрещенной энергетической зоне вблизи потолка валентной зоны, свободный от электрона в невозбужденном состоянии. При возбуждении акцепторная примесь захватывает электрон из валентной зоны. Расстояние между акцепторным уровнем и потолком валентной зоны равно энергии ионизации акцепторной примеси.

С увеличением концентрации примесей расстояния между примесными атомами уменьшаются и их энергетические уровни постепенно превращаются в примесные энергетические зоны. При достижении определнной концентрации примесей примесные энергетические зоны сливаются с ближайшими энергетическими зонами кристалла, в результате чего образуется зонная структура, близкая к зонной структуре металлов. Такой примесный полупроводник называют вырожденным полупроводником или полуметаллом.

Некоторые примеси обладают сравнительно высокой энергией ионизации и образуют энергетические уровни, расположенные вблизи середины запрещенной зоны (например, золото в кремнии). Введение таких примесей существенно облегчает как генерацию, так и рекомбинацию свободных электронов за счет двухступенчатых переходов из одной разрешенной зоны на примесный уровень и с примесного уровня в другую разрешенную зону. Энергетические уровни примесей с высокой энергией ионизации называют генерационно-рекомбинационными центрами.

Существуют примеси, создающие энергетические уровни (ловушки), расположенные вблизи середины верхней или нижней половин запрещенной зоны. Такие уровни в отличие от генерационно-рекомбинационных центров захватывают носители из ближайшей разрешенной энергетической зоны и через некоторое время отдают их в ту же зону, поскольку расстояние до другой разрешенной зоны значительно больше.

Следует отметить, что многие примеси создают в запрещенной зоне по 2-3 уровня.

Источник

Примесная проводимость полупроводников.

Отличительной особенностью полупроводников является их способ­ность существенно увеличивать проводимость при добавлении примесей в кристалл. Проводимость эта, в отличие от собственной, так и называется — примесная проводимость. Именно благодаря этому свойству полупроводники нашли столь широкое практическое применение.

Примесная проводимость полупроводника, в зависимости от вида примеси, может быть электронной — ее создают донорные примеси — либо дырочной — ее создают акцепторные примеси. Полупроводники с электронной проводимостью называются полупроводниками n-типа (от слова negative — отрицательный). Полупроводники с дырочной примесной проводимостью называются полупроводниками p—типа (от слова positive — положительный).

Донорными примесями являются такие, добавление которых приводит к существенному увеличению концентрации свободных электронов в кристалле. Для того, чтобы примесь была доно­ром электронов, необходимо, чтобы валентность элементов, ее составляющих, была больше вален­тности атомов решетки. Для кремния такой донорной примесью являются атомы пятивалентного мышьяка (As). Четыре электрона As участвуют в образовании парноэлектронной связи, а пятый электрон оказывается очень слабо связанным с атомом As и легко становится свободным.

Акцепторные примеси приводят к увеличению концентрации дырок. В соответствии с вышес­казанным, валентность атомов акцепторной примеси ниже валентности атомов решетки кристал­ла. Для кремния такой примесью является трехвалентный индий (In). Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями не хватает одного электрона. В результате об­разуется дырка. При наличии поля возникает дырочная проводимость.

В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными. В полупроводнике p-типа дырки являются основными носителями заряда, а электро­ны — неосновными.

p—n-Переход — это простейшая полупроводниковая структура, которая используется в большинстве полупроводниковых приборов. Для получе­ния p-n-перехода полупроводниковый образец легируют (вводят в него примеси) таким образом, чтобы в одной его части преобладали донорные примеси, а в другой — акцепторные, в результате получают контакт полу­проводника n-типа с полупроводником p-типа.

Основным свойс­твом p-n-перехода является его способность пропускать ток только в одном направлении, если напряжение приложено к образцу так, что про­водимость осуществляется основными носителями тока, как это показано на рисунке выше: «-» со стороны полупроводника n-типа, «+» — со стороны p-типа (электроны из n-области переходят в p-область, и наоборот).

Если теперь поменять полярность приложенного напряжения U, то ток через p-n-переход практически не идет, т. к. переход через контакт осуществляется неосновными носителями, которых мало. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода изображена на рисунке ниже.

Здесь правая часть графика — это прямой переход (осуществляемый основными носителями), левая, пунк­тирная часть — обратный переход (осуществляемый неосновными носите­лями). Свойства p-n-перехода используются для выпрямления переменно­го тока в устройствах, которые называются полупроводниковыми диодами.

Источник