23 | 05 | 2019
Главное меню
Смотри
Статистика
Пользователи : 1
Статьи : 3923
Просмотры материалов : 9593195

Коллеги
Посетители
Рейтинг@Mail.ru
Советую
Online
  • [Bot]
  • [Google]
  • [Yandex]
Сейчас на сайте:
  • 21 гостей
  • 3 роботов
Новые пользователи:
  • Administrator
Всего пользователей: 1
RSS
Подписка на новости
Электроны и "дырки '' PDF Печать E-mail
Автор: Administrator   
17.01.2017 07:45

Электроны и "дырки ''

Глава 2 - Твердотельный Теория устройства


Чистые полупроводники являются относительно хорошими изоляторами по сравнению с металлами, хотя и не так хорошо, как истинный изолятор, как стекло. Для того, чтобы быть полезным в полупроводниковых применениях собственного полупроводника (чистый нелегированный полупроводник) не должны иметь более одного атома примеси в 10 миллиардов атомов полупроводника. Это аналогично тому, зерно соли примеси в железнодорожном вагоне сахара. Неочищенные или грязные полупроводники значительно более проводящими, хотя и не так хорошо, как металлы. Почему это может быть? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, мы должны смотреть на электронную структуру таких материалов на рисунке ниже .

На рисунке ниже (а) показаны четыре электрона в валентной оболочке полупроводника образовывать ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это сплющенные, легче рисовать, версия
Рисунок выше . Все электроны атома связаны в четырех ковалентных связей, пар совместно используемых электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Таким образом, внутренние, чистые, полупроводники являются относительно хорошими изоляторами по сравнению с металлами.




(а) Характеристическая полупроводник является диэлектриком , имеющий полную электронную оболочку. (б) Однако тепловая энергия может создать несколько пар электронов дырок , приводящие к слабой проводимости.

Тепловая энергия может время от времени свободно электрон из кристаллической решетки , как на рисунке выше (б). Этот электрон свободен для проводимости о кристаллической решетке. Когда электрон был освобожден, он оставил пустое место с положительным зарядом в кристаллической решетке , известной как отверстие. Это отверстие не крепится к решетке; но, может свободно передвигаться. Свободный электрон и дырка как вклад в проводимость о кристаллической решетке. То есть, электрон свободен, пока он не попадает в отверстие. Это называется рекомбинацией. Если внешнее электрическое поле прикладывается к полупроводнику, электроны и дырки будут проводить в противоположных направлениях. Повышение температуры приведет к увеличению числа электронов и дырок, уменьшая сопротивление. Это противоположно металлов, где сопротивление увеличивается с ростом температуры за счет увеличения столкновений электронов с кристаллической решеткой. Число электронов и дырок в собственном полупроводнике равны. Тем не менее, оба носители не обязательно двигаться с той же скоростью, с приложением внешнего поля. Другой способ заявив , что это мобильность не то же самое для электронов и дырок.

Чистые полупроводники, сами по себе, не особенно полезны. Хотя, полупроводники должны быть уточнены до высокой степени чистоты в качестве отправной точки предварительного добавления определенных примесей.

Полупроводниковый материал, чистый 1 часть в 10 миллиардов долларов, могут иметь специфические примеси добавлены в приблизительно 1 часть на 10 миллионов человек, чтобы увеличить число носителей. Добавление нужной примеси в полупроводник называют легированием. Легирование увеличивает проводимость полупроводника, так что она более сравнима с металлом, чем изолятор.

Можно увеличить число отрицательных носителей заряда в кристаллической решетке полупроводника при легировании с донором электронов , как Phosphorus. Доноров электронов, также известный как легирующие N-типа включают в себя элементы из группы VA периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и сурьма. Азот и фосфор являются легирующие N-типа для алмаза. Фосфор, мышьяк, сурьма и используются с кремнием.

Кристаллическая решетка на рисунке ниже (б) содержит атомы , имеющие четыре электрона во внешней оболочке, образуя четыре ковалентные связи с соседними атомами. Это предполагаемая кристаллическая решетка. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешней оболочке вводит дополнительный электрон в решетке по сравнению с атомом кремния. Примеси пятивалентная образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с четырьмя из пяти электронов, вписываясь в решетке с одним электроном осталось. Обратите внимание, что этот запасной электрон не сильно связан с решеткой, как электроны нормальных атомов Si являются. Это свободно перемещаться по кристаллической решетке, не связанного с узлом решетки фосфором. Так как мы легированного в одной части фосфора в 10 миллионов атомов кремния, несколько свободных электронов были созданы по сравнению с многочисленными атомами кремния. Тем не менее, многие электроны были созданы по сравнению с меньшим числом пар электрон-дырка в собственном кремнии. Применение внешнего электрического поля производит сильное проводимости в легированном полупроводнике в зоне проводимости (выше валентной зоны). Более тяжелый уровень легирования производит сильное проводимости. Таким образом, плохо проводящий собственный полупроводник был превращен в хороший электрический проводник.




(а) электронная конфигурация Внешняя оболочка доноров N-типа фосфора, кремния (для справки), и акцепторных P-типа бором. (б) донорной примесью N-типа создает свободный акцептором электронов примеси (с) P-типа создает отверстие, положительный носитель заряда.

Кроме того, можно ввести примесь недостающую электрон по сравнению с кремнием, имеющий три электрона в валентной оболочке, по сравнению с четырьмя для кремния. На рисунке выше (с), это оставляет пустое место , известное как дырка, положительный носителей заряда. Атом бора пытается скрепить с четырьмя атомами кремния, но имеет только три электрона в валентной зоне. При попытке сформировать четыре ковалентные связи три электроны движутся вокруг, пытаясь сформировать четыре облигаций. Это делает отверстие по всей видимости, двигаться. Кроме того, трехвалентный атом может занимать электрон из соседней (или более отдаленную) атом кремния, образуя четыре ковалентные связи. Тем не менее, это оставляет атом кремния дефицитный одним электроном. Другими словами, отверстие переехал в соседнюю (или более отдаленную) атома кремния. Отверстия располагаются в валентной зоне, уровень ниже зоны проводимости. Допинг с акцептором электронов, атом , который может принять электрон, создает дефицит электронов, такой же , как избыток дырок. Так как отверстия носители положительного заряда, электронный акцептор легирующей также известен как P-типа легирующей примеси. P-типа легирующей примеси покидает полупроводник с избытком дырок, положительных носителей заряда. Элементы Р-типа из группы IIIA периодической таблицы элементов включают в себя: бор, алюминий, галлий, индий и. Бор используется в качестве Р-типа легирующей примеси для кремниевых и алмазных полупроводников, в то время как индий используется с германием.

"Мрамор в трубке" аналогии с электронной проводимостью на рисунке ниже относится движение отверстий с движением электронов. Мрамор представляют собой электроны в проводнике, трубку. Движение электронов слева направо, как в проводе или N-типа полупроводника объясняется электрона, входящего в трубку слева форсирования выхода электрона справа. Проводимость электронов N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением дырки в валентной зоне.




Мрамор в аналогии трубки: (а) Электроны движутся прямо в зону проводимости , как электроны входят трубки. (б) отверстие перемещается вправо в валентной зоне , как электроны движутся слева.

Для отверстие для входа в левой части рисунка выше (б), электрон должен быть удален. При перемещении отверстие слева направо, электрон должен быть перемещен справа налево. Первый электрон выбрасывается из левого конца трубы так, чтобы отверстие может двигаться вправо в трубу. Электрон движется в противоположном направлении положительного отверстие. По мере того как дыра движется дальше вправо, электроны должны двигаться влево, чтобы приспособить отверстие. Отверстие является отсутствие электрона в валентной зоне в связи с P-типа легирования. Он имеет локализованный положительный заряд. Для того, чтобы переместить отверстие в заданном направлении, валентные электроны движутся в противоположном направлении.

Поток электронов в N-типа полупроводника аналогично электронов, движущихся в металлической проволоки. Атомы легирующей примеси N-типа даст электроны, доступные для проводимости. Эти электроны, из - за легирующей примеси известны как основных носителей, так как они в большинстве своем, по сравнению с очень немногих тепловых отверстий. Если электрическое поле прикладывается через полупроводниковую бар N-типа на рисунке ниже (а), электроны попадают в отрицательную (слева) конец стержня, пересекают кристаллическую решетку, и выход справа на клеммы аккумулятора (+).




(а) N-типа проводимости с электронами , движущимися слева направо через кристаллическую решетку. (б) полупроводника р-типа с отверстиями движется слева направо, что соответствует электронов , движущихся в противоположном направлении.

Прохождение тока в полупроводнике р-типа является немного более трудно объяснить. P-типа легирующей примеси, акцептором электронов, дает локализованные области положительного заряда, известного как отверстия. Носитель большинства в P-типа полупроводника отверстие. В то время как дыры образуются в местах трехвалентный атом легирующей примеси, они могут перемещаться по полупроводниковым бар. Обратите внимание , что батарея на рисунке выше (б) восстанавливается из (а). Положительный полюс батареи подключен к левой части панели Р-типа. Поток электронов выходит из отрицательной клеммы аккумуляторной батареи, через панель P-типа, возвращаясь к положительному выводу батареи. Электрон покидает положительный (левый) конец полупроводниковой панели для положительного вывода аккумуляторной батареи оставляет отверстие в полупроводнике, которая может перемещаться вправо. Отверстия пересекают кристаллическую решетку слева направо. При отрицательном конце бара электрон от батареи соединяется с отверстием, нейтрализуя его. Это делает место для другого отверстия двигаться в на положительном конце бара к правой стороне. Имейте в виду, что, как дырки движутся слева направо, что это на самом деле электроны, движущиеся в противоположном направлении, которое отвечает за apparant движения отверстие.

Элементы , используемые для изготовления полупроводников приведены на рисунке ниже . Старейшая группа IVA насыпной полупроводниковый материал германий используется только в ограниченной степени сегодня. Кремниевые полупроводники на основе составляют около 90% промышленного производства всех полупроводников. полупроводники на основе алмаза являются научные исследования и разработки деятельности со значительным потенциалом в это время. Составные полупроводниковые приборы не включают перечисленные кремния германий (тонких слоев на подложках Si), карбид кремния и III-V соединений, таких как арсенид галлия. III-VI полупроводниковые соединения включают в себя: AlN, GaN, InN, ALP, увы, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al х Ga 1-x Как и в х Ga 1-x As. Колонны II и VI Периодической таблицы, который не показан на чертеже, также образуют полупроводниковые соединения.




Группа легирующие IIIA P-типа, группы IV основным полупроводниковые материалы и легирующие группы VA N-типа.

Основной причиной для включения групп IIIA и VA на рисунке выше , чтобы показать Присадки , используемые с группой IVA полупроводников. Группа IIIA элементы являются акцепторами, легирующие P-типа, которые принимают электроны, оставляя отверстие в кристаллической решетке, положительный носитель. Бор является P-типа легирующей примеси для алмаза, и наиболее распространенным легирующей примеси для кремниевых полупроводников. Индий является P-типа легирующей примеси для германия.

Группа VA элементы являются донорами, N-типа легирующие, получая свободный электрон. Азот и фосфор являются подходящими легирующие N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее часто используемые легирующие N-типа для кремния; хотя, сурьма может быть использован.

  • ОБЗОР:
  • Встроенные полупроводниковые материалы, чистые на 1 часть в 10 миллиардов долларов, являются плохими проводниками.
  • N-типа полупроводник с примесью пентавалентной примеси для создания свободных электронов. Такой материал является проводящим. Электрон является носителем большинства.
  • P-типа полупроводника, с примесью трехвалентного примеси, имеет множество свободных дырок. Эти носители положительного заряда. Материал Р-типа является проводящим. Отверстие является носителем большинства.
  • Большинство полупроводников основаны на элементах из группы IVA Периодической таблицы, причем кремний является наиболее распространенным. Германий все, но устарели. Углерод (алмаз) разрабатывается.
  • широко используются полупроводниковые соединения, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).
 
Для тебя
Читай
Товарищи
Друзья