Что такое примесные полупроводники
Содержание
Примесные полупроводники — ценные вещества для производства микросхем, чипов и других составляющих девайсов, которыми мы пользуемся каждый день. В чем их ценность и зачем в них добавлять примесь, объясним в этой статье.
Общие сведения о полупроводниках
Полупроводник — вещество, которое по своим свойствам находится между проводником электричества и диэлектриком. Говоря простыми словами, полупроводником называется вещество, которое в разных условиях может или пропускать ток или изолировать. Его основные характеристики — электропроводность и удельное сопротивление. В разных условиях они могут или усиливаться, или слабеть. Факторы, которые влияют на электропроводность:
- температура;
- излучение;
- наличие примесей.
Например, стекло в твердом состоянии — диэлектрик, то есть, не пропускает электрический ток. Чтобы изменить это свойство, достаточно расплавить стекло, и оно в таком состоянии начнет проводить заряд.
Важно отметить, что стать проводником или изолятором при изменении внешних условий способны только вещества-полупроводники. Если при помощи температуры или излучения воздействовать на диэлектрик, его удельное сопротивление не изменится.
Где применяются полупроводники
Полупроводники активно используются в наукоемкой промышленности. Самые ценные экземпляры кремний, селен, германий.
Электроника
Полупроводники используются во всем, что касается компьютеров, телекоммуникаций. Например, кремний — важный элемент процессора. Кремниевая долина — столица IT-стартапов имеет такое название именно из-за обилия процессоров, состоящих из кремния.
Бытовая техника
В холодильниках, кондиционерах, микроволновках используют полупроводники для контроля температуры. Здесь часто применяют селен и германий.
Космическая промышленность
Здесь тоже не обойтись без полупроводников. Это очень сложная сфера, которая использует полупроводники на каждом уровне.
Зачем добавлять в полупроводник примесь
Между полупроводником и проводником есть одно очевидное отличие — степень электропроводности и удельного сопротивления. Характеристики полупроводника всегда зависят от внешних факторов, в отличие от проводника. Из этого вытекает неочевидное различие: примесь увеличивает удельное сопротивление проводника, но существенно уменьшает его у полупроводника. Это происходит из-за разной подвижности атомов.
Свободные и валентные электроны
Разница в свойствах проводников и полупроводников в том, что у проводников электроны свободно двигаются, а в полупроводниках нет. Всему виной ковалентная связь, в которой участвуют электроны полупроводника. Если в металлической решетке электроны свободно двигаются между катионами, то из-за ковалентной связи у неметаллов они намертво прикреплены к атомам. Когда полупроводник попадает под воздействие внешних факторов, у части электронов появляется энергия, чтобы оторваться и стать свободными. Поэтому электроны делятся на 2 вида:
- Валентные — частицы, занятые в ковалентных связях, прикрепленные к атому.
- Свободные — частицы, оторвавшиеся от атома и находящиеся в движении.
На месте оторвавшихся электронов образуются дырки, которые сразу заменяются другими электронами, на месте которых образуются следующие дырки, куда становятся следующие электроны и так далее.
Примеси в полупроводниках увеличивают подвижность электронов. Если примесь добавить в проводник, начнется реакция и тогда отрицательные частицы будут прикреплены к атомам, то есть, станут неподвижными.
Виды полупроводников
Существуют примесные и собственные полупроводники.
Собственные полупроводники
Собственный полупроводник — это такой полупроводник, в котором нет примесей. В нем образуется идеальный баланс между электропроводящими и диэлектрическими свойствами. Такое качество достигается при помощи одинакового количества свободных электронов и дырок. Чтобы собственные полупроводники начали проявлять свойства проводника, нужно поменять условия, например, сильно нагреть их. Проблема также решается за счет добавления примесей.
Примесные полупроводники
Чаще всего примесь вводят, чтобы повысить электропроводность и снизить удельное сопротивление. Полупроводники с веществами-примесями могут быть двух типов:
- электронные полупроводники;
- дырочные.
Эти 2 типа имеют два соответствующих вида проводимости — донорскую и акцепторную.
Процесс добавления примеси в полупроводник называется легированием. Собственные и примесные полупроводники с нужными свойствами в природе встречаются редко, поэтому легирование — необходимый процесс при производстве радиотехники.
Иногда в полупроводник вводится сразу несколько примесей.
Электронные полупроводники
Полупроводники с донорной примесью — это примесные полупроводники n-типа. Их также называют электронными. Они отличаются повышенным количеством свободных электронов.
Как работает донорская примесь
Стоит оттолкнуться от слова «донорский», т. е. дополняющий. Полупроводник легируется другим веществом с большей валентностью и получает за счет примеси дополнительный электрон.
Например, в кремний добавляют мышьяк. Валентность кремния равна 4, а валентность мышьяка — 5. Это значит, что у кремния 4 электрона на внешнем уровне, а у мышьяка 5. Между веществами образуется ковалентная связь, в которой 4 электрона с одной стороны и 4 с другой участвуют в связи, а 1 остается. Именно присутствие этого свободного электрона повышает электропроводные свойства и вот почему сопротивление полупроводников сильно зависит от наличия примесей.
Валентность — это способность атомов веществ образовывать связи с другими атомами. Она зависит от количества свободных электронов. Поэтому важно учитывать валентность, добавляя примесь в полупроводник. Валентность можно узнать из таблицы.
Дырочные полупроводники
Такими являются полупроводники p-типа или полупроводники с акцепторной проводимостью. Способность пропускать электричество в веществах этого вида повышается за счет отсутствующего электрона, а не дополнительного. Именно в этом заключается разница между донорными и акцепторными полупроводниками.
Как работает акцепторная связь
Акцепторный значит принимающий. Чтобы создать дырочный или полупроводник р-типа, нужно использовать примесь с меньшей валентностью, чем у основного вещества.
Например, используется бор в качестве примеси кремния. Индий имеет 3 свободных электрона, то есть, 3 возможности образовать связь. При этом у кремния 4 электрона, поэтому решетка атомов кремния состоит из 4 связей. Когда атом индия попытается встроиться между атомами кремния, ему не хватит 1 электрона, чтобы совершить четвертую связь, и он возьмет недостающий электрон у соседнего атома кремния. В свою очередь сосед берет недостающий электрон у еще одного атома и так далее. Так образуются дырки между связями, которые перемещаются по решетке, усиливая электропроводность кремния.
Энергетические зоны и электропроводность
В твердых веществах электроны обладают энергией. В соответствии с ней каждый электрон в пределах одного атома занимает энергетический уровень. Атомы находятся в движении, их уровни расщепляются и в соответствии с уровнем электроны приходят в определенный порядок. Так образуются энергетические зоны. Есть несколько видов зон:
- Разрешенная зона — это одна или несколько энергетических зон, доступных электронам. Отсюда название «разрешенная». Высший уровень — это потолок, а нижний называется дном.
- Валентная зона — это зона, которую образуют валентные электроны, то есть, те, что заняты в связях. Это также часть разрешенной зоны.
- Свободная зона — это часть разрешенной зоны, которая образована свободными электронами, не занятыми в связях с атомами.
- Зона проводимости — нижний уровень свободной зоны,
- Запрещенная зона — это зона недоступная электронам. Здесь отсутствуют энергетические уровни.
Все зоны наслаиваются друг на друга. Их размеры и определяют электропроводные и свойства вещества и удельное сопротивление.
В веществах с разными электропроводными свойствами отличается ширина запрещенной зоны. В проводниках, например, она отсутствует, в диэлектриках очень широкая, а у полупроводников узкая. Электрону нужна энергия, чтобы преодолеть запрещенную зону и оказаться в зоне проводимости. Существует такая зависимость: чем уже запрещенная зона, тем выше электропроводность, чем шире, тем выше удельное сопротивление. На ширину запрещенной зоны можно повлиять при помощи температуры: чем выше градус, тем уже зона. Отсюда и свойство полупроводников пропускать ток при сильном нагреве.
Ключевым элементом в механике электропроводности является постоянное движение свободных электронов и дырок. То есть, электрон сначала отделяется, а потом воссоединяется с атомом. Эта подвижность сокращает запрещенную зону. В собственном полупроводнике подвижность электронов мала и увеличивается она только при помощи температуры. В веществах с донорским типом проводимости подвижность повышается за счет электронов, а с акцепторным за счет дырок.
Например, германий четырехвалентен и все его электроны заняты в ковалентных связях друг с другом. К тому же электроны слишком слабы, чтобы оторваться. Движения нет, и кристалл не проводит электрический ток. Чтобы увеличить подвижность, есть несколько вариантов:
- Добавить примесь, увеличив количество дырок или электронов.
- Нагреть и дать электронам достаточно энергии для разрыва ковалентных связей.
- Включить электромагнитное излучение и придать энергию электронам.
Энергия, необходимая для отрыва электрона от атома донорского или акцепторного вещества, называется энергией ионизации или активации примеси. Она зависит от вида и концентрации примеси, от диэлектрической проницаемости основного вещества, влияющей на силу притяжения между атомом и электроном.
На основании выше сказанного можно сделать следующие выводы:
- Примесь насыщает вещество свободными заряженными частицами и увеличивает его электропроводность.
- Примесный полупроводник может быть электронным (n-типа) и дырочным (р-типа). В первом основными носителями заряда являются электроны, а во втором — дырки.
- В качестве примеси нужно выбирать для полупроводника n-типа вещество с большей валентностью, чем валентность атома исходного материала, а для р-типа — с меньшей.
- Примесь сокращает запрещенную зону полупроводника и этим увеличивает его способность проводить ток.
- Проводимость достигается путем подвижности электронов, а удельное сопротивление — путем покоя.
Разница между примесным и собственным полупроводником заключается в том, что первый обладает более высокой электрической проводимостью. В современных электронных приборах используются в основном примесные полупроводники n- или р-типа. В них при наличии обычных рабочих температур все атомы примеси принимают участие в создании электропроводности, то есть, электроны отделяются от каждого атома или присоединяются к этим атомам.
Загрузка...
