Войти
Внешний полупроводник - это тот, который был легирован ; Во время производства полупроводникового кристалла микроэлемент или химическое вещество, называемое легирующим агентом, было химически включено в кристалл с целью придания ему электрических свойств, отличных от чистых полупроводниковых кристаллов, которые называются Собственный полупроводник. В внешнем полупроводнике именно эти чужеродные легирующие атомы в кристаллической решетке в основном обеспечивают носители заряда, которые проводят электрический ток через кристалл. Используемые легирующие агенты бывают двух типов, что дает два типа примесных полупроводников. донор электронов легирующая примесь представляет собой атом, который, будучи включенным в кристалл, высвобождает подвижный электрон проводимости электрон в кристаллическую решетку. Приемный полупроводник, который был легирован электронодонорными атомами, называется полупроводником n-типа, потому что большинство носителей заряда в кристалле представляют собой отрицательные электроны. акцептор электронов легирующая добавка - это атом, который принимает электрон из решетки, создавая вакансию, в которой электрон должен называться дыркой, которая может перемещаться через кристалл как положительно заряженная частица. Примесный полупроводник, который был легирован атомами акцептора электронов, называется полупроводником p-типа, потому что большинство носителей заряда в кристалле являются положительными дырками.
Легирование является ключом к чрезвычайно широкому диапазону электрических характеристик, которые могут проявлять полупроводники, и внешние полупроводники используются для изготовления полупроводниковых электронных устройств, таких как диоды, транзисторы, интегральные схемы, полупроводниковые лазеры, светодиоды и фотоэлектрические элементы. Сложные процессы производства полупроводников, такие как фотолитография, могут имплантировать различные легирующие элементы в разные области одной и той же полупроводниковой кристаллической пластины, создавая полупроводниковые устройства на поверхности пластины. Например, обычный тип транзистора, биполярный транзистор npn , состоит из примесного полупроводникового кристалла с двумя областями полупроводника n-типа, разделенными областью полупроводника p-типа, с металлическими контактами, прикрепленными к каждой. часть.
Твердое вещество может проводить электрический ток, только если оно содержит заряженные частицы, электроны, которые могут свободно перемещаться и не прикреплены к атомам. В металлическом проводнике именно атомы металла обеспечивают электроны; обычно каждый атом металла высвобождает один из своих внешних орбитальных электронов, чтобы стать электроном проводимости, который может перемещаться по кристаллу и переносить электрический ток. Следовательно, количество электронов проводимости в металле равно количеству атомов, а это очень большое количество, что делает металлы хорошими проводниками.
В отличие от металлов, атомы, составляющие объемный кристалл полупроводника, не обеспечивают электронов, отвечающих за проводимость. В полупроводниках электрическая проводимость обусловлена подвижными носителями заряда, электронами или дырками, которые обеспечиваются примесями или атомами примеси в кристалле. В примесном полупроводнике концентрация легирующих атомов в кристалле в значительной степени определяет плотность носителей заряда, которая определяет его электрическую проводимость, а также множество других электрических свойств. Это ключ к универсальности полупроводников; их проводимостью можно управлять на много порядков с помощью легирования.
Легирование полупроводников - это процесс, который превращает собственный полупроводник во внешний полупроводник. Во время легирования примесные атомы вводятся в собственный полупроводник. Атомы примеси - это атомы другого элемента, чем атомы собственного полупроводника. Атомы примесей действуют как доноры или акцепторы для собственного полупроводника, изменяя концентрацию электронов и дырок в полупроводнике. Примесные атомы классифицируются как донорные или акцепторные атомы в зависимости от эффекта, который они оказывают на собственный полупроводник.
Атомы донорной примеси имеют больше валентных электронов, чем атомы, которые они замещают в собственной решетке полупроводника. Донорные примеси «отдают» свои дополнительные валентные электроны в зону проводимости полупроводника, обеспечивая избыточные электроны собственному полупроводнику. Избыточные электроны увеличивают концентрацию электронных носителей (n 0) полупроводника, делая его n-типом.
У акцепторных примесных атомов меньше валентных электронов, чем у атомов, которые они замещают в собственной решетке полупроводника. Они «принимают» электроны из валентной зоны полупроводника. Это создает избыточные дырки в собственном полупроводнике. Избыточные дырки увеличивают концентрацию дырочных носителей (p 0) в полупроводнике, создавая полупроводник p-типа.
Полупроводники и легирующие атомы определяются столбцом периодической таблицы, в которую они попадают. Определение столбца полупроводника определяет, сколько валентных электронов имеют его атомы и действуют ли атомы примеси в качестве доноров или акцепторов полупроводника.
Полупроводники группы IV используют атомы группы V в качестве доноров и атомы группы III в качестве акцепторов.
Полупроводники группы III – V, составные полупроводники, в качестве доноров используются атомы группы VI и атомы группы II как акцепторы. Полупроводники группы III – V могут также использовать атомы группы IV в качестве доноров или акцепторов. Когда атом группы IV замещает элемент группы III в решетке полупроводника, атом группы IV действует как донор. И наоборот, когда атом группы IV замещает элемент группы V, атом группы IV действует как акцептор. Атомы группы IV могут действовать как доноры, так и акцепторы; поэтому они известны как амфотерные примеси.
| Собственный полупроводник | Донорные атомы | Акцепторные атомы | |
|---|---|---|---|
| Полупроводники IV группы | Кремний, Германий | Фосфор, Мышьяк, Сурьма | Бор, Алюминий, Галлий |
| Полупроводники III – V групп | Фосфид алюминия, Алюминий арсенид, арсенид галлия, нитрид галлия | селен, теллур, кремний, германий | Бериллий, цинк, кадмий, кремний, германий |
Зонная структура полупроводника n-типа. Темные круги в зоне проводимости - это электроны, а светлые круги в валентной зоне - дырки. На изображении показано, что электроны являются основным носителем заряда. Полупроводники N-типа создаются путем легирования собственного полупроводника электронным донорным элементом во время производства. Термин n-тип происходит от отрицательного заряда электрона. В полупроводниках n-типа электроны являются основными носителями, а дырки являются неосновными носителями. Обычной легирующей добавкой для кремния n-типа является фосфор или мышьяк. В полупроводнике n-типа уровень Ферми больше, чем у собственного полупроводника, и расположен ближе к зоне проводимости, чем к валентной зоне.
Зонная структура полупроводника p-типа. Темные круги в зоне проводимости - это электроны, а светлые круги в валентной зоне - дырки. На изображении показано, что дырки являются основным носителем заряда. Полупроводники P-типа создаются за счет легирования собственного полупроводника электронным акцепторным элементом во время производства. Термин p-тип относится к положительному заряду дырки. В отличие от полупроводников n-типа, полупроводники p-типа имеют большую концентрацию дырок, чем концентрацию электронов. В полупроводниках p-типа дырки являются основными носителями, а электроны - неосновными. Обычной легирующей добавкой p-типа для кремния является бор или галлий. Для полупроводников p-типа уровень Ферми находится ниже собственного уровня Ферми и расположен ближе к валентной зоне, чем к зоне проводимости.
Внешние полупроводники являются компонентами многих обычных электрических устройств. Полупроводниковый диод (устройства, пропускающие ток только в одном направлении) состоит из полупроводников p-типа и n-типа, помещенных в переход друг с другом. В настоящее время в большинстве полупроводниковых диодов используется легированный кремний или германий.
Транзисторы (устройства, позволяющие переключать ток) также используют внешние полупроводники. Биполярные переходные транзисторы (BJT), которые усиливают ток, являются одним из типов транзисторов. Наиболее распространены BJT типа NPN и PNP. Транзисторы NPN имеют два слоя полупроводников n-типа, между которыми расположен полупроводник p-типа. Транзисторы PNP состоят из двух слоев полупроводников p-типа, между которыми расположен полупроводник n-типа.
Полевые транзисторы (FET) - это еще один тип транзисторов, которые усиливают ток, используя внешние полупроводники. В отличие от BJT, они называются униполярными, потому что они включают работу с одной несущей - N-канал или P-канал. Полевые транзисторы разделены на два семейства: полевые транзисторы с затвором (JFET), которые представляют собой три оконечных полупроводника, и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET ), которые представляют собой четыре оконечных полупроводника.
Другие устройства, использующие внешний полупроводник:
