Энергетические примесного полупроводника

Рис. 54. Энергетические зоны в примесных полупроводниках л- и р-типа.

Рис. 114. Энергетические схемы примесных полупроводников с электронной (а) и дырочной проводимостью (б) ф—электроны О—дырки.

ЧИСЛО возможных уровней в зоне ровно в два раза больше, чем число электронов, вследствие чего она является зоной проводимости. Этим объясняется также высокая электрическая проводимость этих металлов. Существует несколько основных типов взаимного расположения энергетических зон (рис. А.62), соответствующих изолятору, одновалентному металлу, двухвалентному металлу, полупроводнику с собственной проводимостью, примесному полупроводнику и-типа и примесному полупроводнику р-типа. Соотношение энергетических зон (рис. А.62) определяет также тип проводимости твердого тела. [c.142]

Примесные полупроводники п-типа (рис. А.62,5). При внесении в собственный полупроводник посторонних атомов, способных быть донорами электронов, возникающие примесные энергетические термы находятся вблизи зоны проводимости L. Переход электронов в зону проводимости L требует лишь незначительных затрат энергии. [c.142]

Рис. 10. Энергетические уровни примесного полупроводника. —энергия, необходимая для возбуждения электронов с уровня примеси до полосы проводимости, (Зо—с уровня заполненной полосы до полосы проводимости.

В примесных полупроводниках (и диэлектриках), как мы видели (см. рис. 101), в запрещенной зоне возникают локальные энергетические уровни (донорные, акцепторные и уровни прилипания , обусловленные дефектами структуры), в связи с чем вероятность рекомбинации (через локальные уровни) возрастает. Рекомбинацию через локальные уровни (центры рекомбинации) можно определить как переходы зона — локальный уровень — зона (рис. 180, г). [c.433]

Рис. 56, Энергетические уровни примесного полупроводника. — анергия для возбуждения электронов с уровня примеси до полосы проводимости.

Полупроводник с энергетическим спектром, подобным изображенному на рис. 1.10, а, называется собственным. Гораздо более распространены, однако, примесные полупроводники. Для них характерен значительный разрыв между зоной проводимости и валентной зоной, так что, если бы они обладали идеальной кристаллической решеткой, они вели бы себя как изоляторы. Атомная структура примесного проводника нарушена либо присутствием посторонних примесей, либо в результате отклонения состава кристалла от стехиометрического. Дефекты кристаллической решетки вызывают появление в электронном [c.26]

Примесные полупроводники р-типа (рис. А.62, е). Внесение примесных атомов, способных быть акцепторами электронов, приводит к тому, что примесные энергетические термы находятся несколько выше валентной зоны О. Вследствие переноса электронов из валентной зоны на уровни атомов-акцепторов в валентной зоне становится возможной дырочная проводимость . (Комбинации германиевых и кремниевых полупроводников с р- и л-проводимостью применяются в транзисторах.) [c.143]

Примесные полупроводники — вещества, полупроводниковые свойства которых обусловлены примесью малых количеств других элементов. Например, рассмотрим кремний с добавкой фосфора и алюминия. Поскольку каждый атом кремния образует четыре ковалентные связи со своими соседями, чистый кремний можно изобразить так, как показано на рис. 19.23, а. Когда атом кремния замещен атомом фосфора, имеется один лишний валентный электрон атома Р, который не участвует в образовании ковалентных связей. При наличии атомов фосфора в запрещенной зоне ниже края зоны проводимости возникают дополнительные уровни, которые называются донорными уровнями. В данном случае дополнительные энергетические уровни лежат всего лишь на 0,012 эВ ниже края зоны проводимости. Электроны, перешедшие с них в зону проводимости, могут двигаться под действием внешнего электрического поля. Таким образом, кремний с добавкой фосфора является полупроводником п-типа. [c.593]

Различают два рода примесей — донорные и акцепторные. Донорным примесям соответствуют локальные примесные уровни, находящиеся близ дна зоны проводимости (уровень D, рис. L10, б). С этих уровней электроны могут сравнительно легко переходить в зону проводимости, становясь свободными носителями тока. Акцепторные примеси вызывают появление локальных энергетических уровней близ верхнего края валентной зоны (уровень Л, рис. 1.10, в). При переходе электрона из валентной зоны на акцепторный уровень образуется свободная дырка в валентной зоне. В отличие от собственных, у примесных полупроводников концентрации свободных электронов и дырок, очевидно, могут не совпадать. В примесном полупроводнике, содержащем преимущественно донорные уровни, не [c.26]

Введение в кристаллический кремний примесных атомов фосфора, имеющих по пять валентных электронов, также нарушает энергетическую однородность кристалла. В этих условиях каждый атом фосфора уже при сообщении ему энергии порядка 4,4 кДж/моль способен ионизироваться, перебрасывая один из своих электронов в зону проводимости и превращаясь в положительно заряженный ион. Аналогично ведут себя в кристаллах кремния и германия примесные атомы мышьяка, сурьмы и золота, обычно называемые донорными примесями. Для получения полупроводника с определенной концентрацией носителей (электронов или дырок) необходимо, чтобы количество собственных переносчиков тока в кристалле было примерно на два порядка ниже. [c.89]

При недостаточном содержании металла по сравнению со стехиометрическим составом электронейтральность обеспечивается недостатком соответствующего числа электронов. Энергетические уровни недостающих электронов могут быть расположены либо в валентной зоне, что соответствует квазисвободным электронным дыркам, либо в запрещенной зоне. В последнем случае они соответствуют локализованным состояниям дырок и аналогичны локальным энергетическим уровням акцепторного типа в примесных полупроводниках. [c.40]

Что касается температурной зависимости концентраций дефектов, то в случае нестехиометрических соединений она оп ределяется температурной зависимостью целого ряда констант равновесия квазихимических реакций между дефектами и не имеет такого наглядного физического смысла, как в случае собственных или примесных полупроводников. В конечном итоге она определяется энергетическим эффектом весьма сложной квазихимической реакции, приводящей к возникновению дефектов данного сорта. [c.166]

Если металл, образующий твердую оксидную фазу, будет присутствовать в ней в виде катионов различной валентности, электронная неупорядоченность сохраняется, но в этом случае, как и в примесных полупроводниках -го типа, эта неупорядоченность будет вызвана различием в электронном строении оболочек ионов металла различной валентности. При частичном восстановлении окисла, т. е. при образовании катионов низшей валентности уровень Ферми повышается, так как при этом заполняются более высокие энергетические уровни, наоборот, с появлением катионов более высокой валентности снижается и уровень Ферми. Представленные схемы являются конечно грубой аппроксимацией реальных явлений. [c.45]

В 1957 г. было высказано предположение [37], что наблюдаемые в нативных ферментативных системах сигналы ЭПР принадлежат неспаренным электронам, появляющимся при ступенчатом окислении низкомолекулярных субстратов. Малая ширина сигнала и отсутствие СТС указывали на то, что эти неспаренные электроны в значительной степени делокализованы по белковой структуре фермента. С этой точки зрения белковые компоненты ферментативных систем могут рассматриваться как своего рода примесные полупроводники, в которых роль примеси играет низкомолекулярный субстрат. Действительно, уже давно высказывалось предположение, согласно которому упорядоченная сетка водородных связей в нативных белковых структурах может приводить к возникновению в энергетическом спектре системы зоны проводимости. Поскольку эта зона, однако, лежит приблизительно на 3 эв выше основной валентной зоны, в чистых белках при обычных температурах она остается незаполненной, поэтому сами белки полупроводниковыми свойствами не обладают. При образовании комплекса с субстратом и при его ступенчатом окислении или восстановлении возникающий в ходе реакции неспаренный электрон субстрата при соблюдении геометрических и очевидных энергетических условий (близость соответствующих уровней субстрата и белка) может попасть в зону проводимости белка Неспаренный электрон будет при этом делокализован по системе водородных и пептидных связей белковой молекулы и будет мигрировать по этой структуре до тех пор, пока не встретится с каким-либо акцептором, осуществив, таким образом, окислительно-восстановительную реакцию между двумя пространственно разделенными низкомолекулярными соединениями. [c.215]

Для примесных полупроводников, в которых атомы примеси дают дополнительные электронные энергетические уровни внутри запрещенной зоны матрицы (рис. 2.4), расчет несколько усложняется. [c.111]

Рис. 2.4. Схема размещения дополнительных энергетических донорных (а) и акцепторных (б) уровней в примесных полупроводниках

Отсюда следует, что при рассмотрении процесса генерации — рекомбинации в примесном полупроводнике запрещенную зону можно условно разделить на три области среднюю область и две области, одна из которых прилегает к валентной зоне, а другая — к зоне проводимости (рис. 38). Ширина последних двух областей одинакова и равна расстоянию между уровнем электрохимического потенциала электронов [Хэ и ближайшей к нему зоны (проводимости или валентной). Если энергетический уровень ловушек находится в средней из выделенных областей, то коэффициент рекомбинации имеет максимальное значание и не зависит от положения этого уровня. Когда уровень ловушек находится в одной из крайних областей, коэффициент рекомбинации существенно зависит от положения уровня —При этом, так же как и у собственного полупроводника, скорость процесса уменьшается, по мере приближения уровня —к любой из основных зон (см. рис. 38). [c.144]

Рис. 2. Зонная энергетическая диаграмма полупроводника с собственной проводимостью I и с примесной проводимостью и- и р-типов ( -дно зоны проводимости потолок валентной зоны -уровень Ферми и уровни энергии примеси донорного и акцепторного типа соответственно)

При высоких температурах это соотношение выполняется, при низких большую роль по сравнению с собственной играет так называемая примесная электропроводность. Атом примеси может отдавать свой электрон (быть донором). Если энергетический уровень электрона примеси окажется вблизи от верхней зоны, то электрон может от примеси перейти в верхнюю зону и превратиться в электрон проводимости. Такие полупроводники называются полупроводниками /г-типа, или электронными. [c.518]

Наряду с собственными большое распространение получили также полупроводники примесного типа. В них основное число переносчиков тока — электронов или дырок — поставляют введенные в собственный полупроводник специальные примеси, энергетические уровни которых располагаются между валентными зонами и зонами проводимости полупроводника. Так, при введении в кристалл германия так называемых донорных примесей, как, например, фосфора, мышьяка, сурьмы, электроны последних переходят в зону проводимости полупроводника, резко увеличивая в ней число электронов — переносчиков тока (п-про-водимость). При добавлении к германию акцепторных примесей типа бора, алюминия, индия электроны валентной зоны полупроводника переходят на свободные уровни зоны примесей, что увеличивает число дырок (р-проводимость) в валентной зоне. [c.77]

Избыточные электроны (например, за счет введения атомов фосфора) находятся на энергетическом уровне, который лежит несколько ниже зоны про водимости основного вещества (например, кремния) и называется донорным уровнем примеси (рис. 56. а). Ввиду малой ширины запрещенной зоны между донорным уровнем и зоной проводимости примесные электроны легко переходят в последнюю и улучшают свойства полупроводника п-типа. [c.149]

Примеси специально вводятся в кремний и германий для создания полупроводниковых свойств. То, что кремний и германий не являются проводниками электричества, может быть объяснено с помощью зонной теории металлов (см. стр. 237). Все валентные электроны в этих кристаллах находятся в полностью заполненной зоне, и между этой и следующей зоной (пустой) имеется энергетическая щель, которая не может быть преодолена обычным путем. При повышении температуры увеличивается число электронов, обладающих избытком энергии, достаточным для перехода через щель в следующую зону, и, поскольку эта зона почти полностью пустая, такие электроны могут двигаться при наложении электрического потенциала. Сопротивление полупроводника в отличие от металла убывает при повышении температуры. Полу-проводимость кремния и германия значительно возрастает при специальном введении примесных атомов из групп П1 или V. Эти атомы, вероятно, не занимают положения в [c.260]

Гораздо более важным типом полупроводников являются полупроводники, активированные примесями, которые подразделяются на два типа в зависимости оттого, обусловлена ли их электропроводность движением электронов или дырок. Как показано на схеме, проводимость первого типа обусловлена возбуждением электронов, нормально расположенных на дискретных примесных уровнях, лежащих немного ниже зоны проводимости, и последующей миграцией их в зоне проводимости. Во втором случае электроны возбуждаются из верхней заполненной зоны в дискретные акцепторные энергетические состояния, связанные с наличием примесей и расположенные несколько выше верхней заполненной зоны, но все же достаточно удаленные от зоны проводимости. В этом случае проводимость обусловливается передвижением положительных дырок в заполненной зоне, что эквивалентно передвижению электронов в противоположном направлении. Первый вид проводимости обычно называют проводимостью п-типа (донорные примеси), а второй — проводимостью р-типа (акцепторные примеси). [c.170]

Электропроводность полупроводников обычно зависит от наличия в них примесей и дефектов решетки и в определенном температурном интервале быстро увеличивается с ростом температуры. В гл. 3 мы показали, что примеси элементов П1 и V групп в решетке элементов IV группы являются соответственно акцепторами и донорами электронов. В полупроводниковых соединениях соответствующие примеси ведут себя аналогично. Вакансии также относятся к числу дефектов, оказывающих влияние на электропроводность. Энергию, необходимую для отрыва электрона от донора или присоединения электрона к акцептору, называют энергией ионизации примеси или дефекта. Энергетические уровни простых доноров и акцепторов расположены в запрещенной зоне, вблизи зоны проводимости и валентной зоны соответственно (рис. 37), а энергия ионизации определяется как разность энергии между примесным уровнем и соответствующей зоной. Если в кристалле одновременно присутствуют доноры и акцепторы электронов, то электроны с донорных уровней перейдут на акцепторные и не дадут никакого вклада в электропроводность поэтому число примесных носителей тока при одновременном присутствии доноров и акцепторов определится как [О]—[Л]), т. е. как разность концентраций доноров и акцепторов. Если [0]>[Л], полупроводник относится к [c.72]

В отличие от классических полупроводников окисные соединения обладают широкой запрещенной зоной. Дефекты структуры создают в этой зоне примесные уровни. По-видимому, положением уровней в запрещенной зоне обусловлено состояние парамагнитных примесных ионов, т. е. валентность, глубина по отношению к зоне проводимости и т. д. Примесными уровнями определяются свойства реального вещества, однако в настоящее время еще нет возможности теоретически обосновать энергетическую схему примесных центров в окисных соединениях. Мы убедились, что в различных структурных модификациях электронное строение примесных центров, вообще говоря, различно. [c.104]

Теории фотоэффекта со сложных катодов. Слои окиси цезия с избыточным содернганием цезия и с наличием атомов серебра в кислородно-цезиевых фотоэлементах, равно как и слой Sb s j в сурьмяно-цезиевых, являются примесными полупроводниками. Избыточные атомы цезия вызывают появление местных энергетических уровней, увеличивающих электропроводность и эмиссионную способность катодов, а также образуют на поверхности катода облегчающий эмиссию одноатомный слой. Поэтому в настоящее время вполне естественно искать объяснения специфических свойств сложных фотокатодов, и в частности их большой чувствительности, исходя пз зональной теории полупроводников. Как уже было подчёркнуто в предыдущей главе при объяснении явлений, имеющих место в оксидных катодах, в настоящее время ещё не создано впо.чне разработанной теории термоэ.чектронной эмиссии из полупроводников. В ещё большей мере это справедливо для фотоэлектронной эмиссии. Однако некоторые положения здесь [c.76]

В то время как в случае металлической проводимости число свободных электронов N практически не зависит от температуры, в случае полупроводников имеем совершенно иную картину. У особенно интересующего нас, с точки зрения оксидного катода, примесного полупроводника число свободных электронов, спосо б-ствующйх проводимости, оказывается равным числу электронов в незаполненной, при Т — 0, энергетической полосе (рис. 128). Однако это число, согласно предыдущему параграфу, чрезвычайно сильно зависит от температуры и характер этой зависимости совершенно неизвестен. Поэтому для определения электронной проводимости полупроводника можно воспользоваться полученным для %1еталлической проводимости уравнением (86), определив сначала, однако, входящее в это уравнение число свободных электронов N. Для этой цели необходимо исследовать подобным же образом, как и для случая металлов ( 3), распределение энергии электронов в полупроводнике. Для этого поло-жим, что кисло избыточных атомов металла (дефектов, атомов примеси) л, совершенно постоянно и не зависит от температуры, т. е. в согласии с Мейером и Мёглихом [269] мы исключаем все явления, при которых число атомов примеси изменяется путем диффузии и химических реакций. Эти явления, происхо Щйе преимущественно в так называемой области высоких температур , будут рассмотрены в 38. Здесь мы ограничимся лишь областью низких температур , в которой атомы рримеси как бы Заморожены в своих положениях и количество их не меняется. [c.285]

Обратимся снова к статистике Ферми. Необходимые обозначения значений энергии приведены на рис. 128, где из >браже ы наивысшие энергетические полосы или уровни примесного полупроводника. [c.285]

Если в собственно полупроводник ввести акцепторную примесь, например в германий ввести атом галлия, у которого лищь три валентных электрона, то к нему от германия перейдет один из электронов, и в валентной зоне появится дырка. Условием такого перехода является близость энергетического уровня примеси, располагающегося в запрещенной для германия зоне, к верхнему уровню валентной зоны германия. Концентрация дырок в этом случае становится преобладающей, и собственно полупроводник превращается в примесный полупроводиик р-тла, или в р-полупроводник. Для полупроводников с примесной проводимостью пфрфп[ и вместо (5.46) следует писать [c.139]

Рассеяние на примесях. Примесные атомы, как мы видели (см. п. 2), создают дискретные энергетические уровни, расположенные вблизи разрешенных зон, и потому оНи легко ионизируются. Положительно (донорный) или отрицательно (акцепторный) заряженный примесный атом в решетке полупроводника создает дальнодействующее кулоновское поле с потенциалом ф= 2,е1%г, где х — Диэлектрическая постоянная кристалла. Носители экранируют заряд этого поля, ограничивают область его действия. Брукс и Херринг (1951 г.) учли экранировку и представили потенциал поля в виде ф = 2е1уг) где Го зависит от кон- [c.250]

Наличие в окисных полупроводниках примесей, расположенных на значительных расстояниях, может привести к образованию дискретных уровней в запрещенной зоне. При увеличении концентрации примеси начинается ее взаимодействие с кристаллом с образованием примесной зоны в энергетическом спектре кристалла. Полупроводник, в котором примесная зона перекрывается о сновными, называется шльнолегироэанньгм. Большая концентрация примесей приводит к увеличению числа ноаителей зар1яда. [c.173]

Применяемые в каталитических процессах полупроводники являются примесными. Энергетические уровни примесей могут располагаться в запрещенной зоне, при этом положение уровня Ферми изменяет- ся. Если примесь донорного типа, поставляющая электроны полупроводнику, то уровень Ферми сдвигается ко дну зоны проводшости. Такой полупроводник называется электронным, или полупроводником п -тша. Если же примесь захватывает электроны полупроводника, то уровень Ферми сдвигается ближе к верху валентной зоны. Это случай акцепторной примеси, а полупроводник - дырочный, илч /)-ти-па. Энергетические схемы электронного и дырочного полупроводников представлены на рис.88,б, в. [c.279]

Для хемосорбции на п-проводнике энергия хемосорбции первого атома будет равна (а—ф)е, где а — сродство к электрону адсорбированного атома и ф—-работа выхода полупроводника, поскольку это выражение определяет изменение энергии электрона при переходе последнего от полупроводника к адсорбату. По мере того, как адсорбируется все большее количество атомов и переносится больше электронов, эти электроны начинают поступать с более глубоко расположенных в твердом теле примесных уровней и в граничном слое возникает объемный заряд. В результате этого изменяется потенциальная энергия электронов в полупроводнике, и при переходе от полупроводника к адсорбату электроны должны преодо- леть энергетический барьер V. Каждый новый адсорбированный атом увеличивает высоту этого барьера, понижая все больше уровень Ферми в полупроводнике. В конечном счете устанавливается равновесие, при котором потенциальная энергия электронов в адсорбате становится равной потенциальной энергии электронов (т. е. уровню Ферми) в полупроводнике. Дальше хемосорбция не может протекать с уменьшением свободной энергии. Пусть высота барьера при этом равна Vа число адсорбированных атомов (ионов) — N . СоЧедо-вательно. Л/,, электронов ушло из полупроводника, в результате чего граничный слой толщиной I обедняется носителями тока. [c.504]

Если в веществе присутствуют способные к ионизации примеси, энергетические уровни которых располагаются в запрещенной зоне, то носители тока (электроны и дырки) могут возникать за счет электронных переходов между уровнями примеси и одной из резрешенных зон (рис. 114). В том случае, когда примесные атомы отдают электроны в зону проводимости (донорная примесь), возникает электронная проводимость такие полупроводники называются полупроводниками /г-типа. Если же примесные атомы захватывают электроны из валентной зоны (акцепторная примесь), то носителями тока оказываются дырки такие полупроводники называются полупроводниками р-типа. Концентрация примеси обычно невелика, и поэтому примесные атомы не взаимодействуют друг с другом и не могут участвовать в процессе электропроводности непосредственно путем перехода электронов между примесными уровнями. [c.277]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология