Примесный полупроводник n-типа

 

 

Рис. 1а

 

Примесный полупроводник p-типа

 

 

Рис. 1б

 

Обычно донорные и акцепторные уровни в запрещенной зоне полупроводника образуются при легировании, т.е. введением определенной примеси в собственный полупроводник. Таким образом можно сказать, что примесная проводимость обусловлена ионизацией атомов примеси в полупроводнике.

В полупроводниках IV группы таблицы Менделеева (Ge, Si) донорные уровни вблизи E_c образуют элементы V группы (Sb, As), а  акцепторные уровни вблизи E_v - элементы III группы (In, Ga).

Величина примесной проводимости:

 

_пр = e(_nn + _pp),

 

где n - концентрация электронов с доноров в зоне проводимости;

p - концентрация дырок с акцепторов в валентной зоне;

_n; _p - подвижности электронов и дырок, соответственно.

 

        Если примесная проводимость обусловлена в основном электронами с донорных уровней  (_nn >> _pp), т.е. электроны являются основными носителями заряда, то говорят об электронной проводимости полупроводников, или полупроводниках n-типа; если же преобладает проводимость, обусловленная дырками, образовавшимися вследствие ухода электронов на  акцепторные уровни (_pp >> _nn), то говорят о дырочной проводимости, или полупроводниках p-типа, где основными носителями заряда являются дырки. Если в полупроводниках n-типа (p-типа) глубина примесного уровня E_d (или E_a) в данной области температура Т меньше, чем kT (k - постоянная Больцмана), то практически все доноры полностью ионизированы (или акцепторы заполнены электронами)(см. рис. 2а, 2б).

 

Примесный полупроводник n-типа

 

 

Рис. 2а

 

Примесный полупроводник p-типа

 

 

Рис. 2б

 

Если в этой области температура и собственная проводимость мала, т.е. N_d или N_a >> n_i = p_i (N_d - концентрация доноров, N_a - концентрация акцепторов n_i, p_i - концентрации собственных носителей), то концентрация основных носителей заряда равна примерно концентрации донорной (или акцепторной) примесей:

nN_d (в полупроводнике n-типа);

nN_a (в полупроводнике p-типа);

        В общем случае, т.е. при неполной ионизации примесей и наличии собственной проводимости, концентрации носителей заряда определяются формулами:

 

n = 2(2m_n^*kT / h²)^3/2exp(E_f /kT);

 

p = 2(2m_p^*kT / h²)^3/2exp(-E_f E /kT),

 

где m_n^*, m_р^* - эффективные массы электронов и дырок в полупроводнике;

E_f - глубина уровня Ферми, зависящая от параметров примесных уровней.

 

Например, при T=300 K, в Ge (E = 0,78 эВ) при N_d = 10²¹ м^-3, n = 10¹⁷ м^-3.

Величина примесной проводимости при этой температуре:

 

_пр = 510¹ Ом ^-1м ^-1.

Временные характеристики

Время инициации (log t_o от -3 до 2);

Время существования (log t_c от -3 до 15);

Время деградации (log t_d от -3 до 2);

Время оптимального проявления (log t_k от -1 до 1).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Техническая реализация - термистор (терморезистор). В среде с температурой T находится образец примесного полупроводника, например, n - Ge с примесью As. Измеряя зависимость проводимости образца от температуры, убеждаемся, что при охлаждении проводимось уменьшается. Если построить эту зависимость в логарифмических координатах, то видно, что она стремится к нулю при абсолютном нуле температуры.

Применение эффекта

Использующие явление примесной проводимости термисторы используются как датчики температуры. Принцип действия такого основан на изменении величины тока в цепи датчика при изменении температуры. Ток датчика изменяется из-за изменения примесной проводимости полупроводника. Например, термисторы из n - Ge  с донорной примесью As применяются при измерении температуры жидкого гелия.

31

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход (сокращенно n—p-переход) является основным элементом большинства полупроводниковых приборов. Он образуется в полупроводниковом кристалле, в котором имеется контакт между областью с электронной проводимостью и областью с дырочной проводимостью. Электронно-дырочный переход и образуется на границе этих областей. Существует несколько способов изготовления полупроводниковых кристаллов с электронно-дырочным переходом. Рассмотрим явления, происходящие в кристалле с p—n-переходом (рис. 27.2,а,б). Рис. 27.2. В отсутствие электрического поля свободные электроны и дырки хаотично движутся по кристаллу. В результате такого движения свободные электроны могут сами по себе перейти через p—n-переход в дырочную область, а дырки — в электронную. Посмотрим, что при этом произойдет. Электроны, переходя из области n в область p, уносят с собой свой отрицательный заряд из области п. Следовательно, в кристалле область n после ухода электронов зарядится положительно, а область p — наоборот, зарядится отрицательно, так как электроны принесут ей свой отрицательный заряд. Не остаются в долгу и дырки. Диффундируя в электронную область, они несут ей свой положительный заряд, а в дырочной области в результате их ухода возрастает отрицательный заряд. Таким образом, в результате диффузии электронов в дырочную область  и дырок в электронную пограничная область кристалла электризуется.  На границе между областями возникает электрическое поле, получившее название поля электронно-дырочного перехода, которое начинает противодействовать дальнейшей диффузии зарядов, т. е. дырок и свободных электронов. Такое поле часто называют запирающим полем. Опыты свидетельствуют о том, что полупроводниковый кристалл с р—n-переходом обладаетодносторонней проводимостью.

32 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ  ЯДРА

Ядром  называется  центральная часть атома, в которой сосредоточена  практически вся масса атома и его положительный электрический заряд.

В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого быстро движутся электроны, образуя так называемые электронные облака или электронные оболочки. Ядро атома образовано из мелких частиц – протонов и нейтронов. Нейтроны не имеют электрического заряда и необязательно присутствуют в атомах. Например, ядро атома гелия

состоит из двух протонов и двух нейтронов, вокруг которых движутся два электрона.

Зарядом ядра называется  величина  Ze, где   e – величина  заряда протона, Z — порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре.

Число нуклонов в ядре А=N + Z  называется массовым числом.

Нуклонам  ( протону и  нейтрону) приписывается  массовое число,

равное единице,  электрону  — нулевое значение А

Ядра с  одинаковыми  Z , но различными  А  называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А  имеют различные Z, называются

изобарами.

Ядро химического  элемента обозначается

где  Х –символ химического элемента.

В  природе встречаются  около 300 устойчивых  изотопов химических  элементов и имеется  около 1000  искусственных  (радиоактивных) изотопов.

 

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра

может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем.

Плотность  ядерного  вещества  составляет  по порядку величины

и  постоянна  для  всех  ядер.

Она  значительно   превосходит плотности самых плотных обычных веществ.