Внешний полупроводник - Extrinsic semiconductor

Внешний полупроводниковый является тот , который был легированного ; Во время изготовления полупроводникового кристалла микроэлемент или химикат, называемый легирующим агентом , был химически включен в кристалл с целью придания ему электрических свойств, отличных от чистых полупроводниковых кристаллов, которые называются внутренними полупроводниками . В примитивном полупроводнике именно эти чужеродные легирующие атомы в кристаллической решетке в основном обеспечивают носители заряда, которые переносят электрический ток через кристалл. Используемые легирующие агенты бывают двух типов, что дает два типа примесных полупроводников. Примесь донора электронов представляет собой атом, который при включении в кристалл высвобождает подвижный электрон проводимости в кристаллическую решетку. Примесный полупроводник, который был легирован электронодонорными атомами, называется полупроводником n-типа , потому что большинство носителей заряда в кристалле представляют собой отрицательные электроны. Примесь акцептора электронов - это атом, который принимает электрон из решетки, создавая вакансию, в которой электрон следует называть дыркой, которая может перемещаться через кристалл, как положительно заряженная частица. Примесный полупроводник, который был легирован электроноакцепторными атомами, называется полупроводником p-типа , потому что большинство носителей заряда в кристалле являются положительными дырками.

Допирование является ключом к чрезвычайно широкому диапазону электрических характеристик, которые могут проявлять полупроводники, а 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, позволяют имплантировать различные легирующие элементы в разные области одной и той же полупроводниковой кристаллической пластины, создавая полупроводниковые устройства на поверхности пластины. Например, общий тип транзистора, биполярный транзистор npn , состоит из внешнего кристалла полупроводника с двумя областями полупроводника n-типа, разделенными областью полупроводника p-типа, с металлическими контактами, прикрепленными к каждой части.

Проводимость в полупроводниках

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 электроны обеспечивают атомы металла; 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 электропроводность обеспечивается подвижными носителями заряда , электронами или дырками, которые образуются 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

Легирование полупроводников - это процесс, который превращает собственный полупроводник во внешний. Во время легирования примесные атомы вводятся в собственный полупроводник. Атомы примеси - это атомы другого элемента, чем атомы собственного полупроводника. Примесные атомы 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 того, какое влияние 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 ) в полупроводнике, делая его n-типом.

Атомы акцепторной примеси имеют меньше валентных электронов, чем атомы, 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 который 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 , сложные полупроводники , используют атомы группы VI в качестве доноров и атомы группы II в качестве акцепторов. Полупроводники III – V групп также могут использовать атомы IV группы 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 (полупроводник n-типа) Атомы-акцепторы (полупроводник p-типа)
Полупроводники IV группы Кремний , Германий Фосфор , мышьяк , сурьма Бор , алюминий , галлий
Полупроводники III – V групп Алюминий фосфид , арсенида алюминия , арсенида галлия , нитрида галлия Селен , теллур , кремний , германий Бериллий , цинк , кадмий , кремний , германий

Два типа полупроводников

Полупроводники N-типа

Зонная структура полупроводника n-типа. Темные круги в зоне проводимости - это электроны, а светлые круги в валентной зоне - дырки. Изображение показывает, что электроны являются основным носителем заряда.

N-тип полупроводники создаются путем легирования собственного полупроводника с помощью электронного донора элемента в процессе изготовления. Термин n-тип происходит от отрицательного заряда электрона. В полупроводниках n-типа электроны являются основными носителями, а дырки - неосновными носителями . Обычной легирующей примесью 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 валентная зона .

Примеры: фосфор , мышьяк , сурьма и т. Д.

Полупроводники P-типа

Зонная структура полупроводника p-типа. Темные круги в зоне проводимости - это электроны, а светлые круги в валентной зоне - дырки. На изображении видно, что дырки являются основным носителем заряда.

Р-тип полупроводники создаются путем легирования собственного полупроводника с помощью электронного акцептора элемента в процессе изготовления. 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 носителями. Обычной легирующей примесью p-типа кремния является бор или галлий . Для полупроводников p-типа уровень Ферми находится ниже собственного полупроводника и расположен ближе к валентной зоне, чем к зоне проводимости.

Примеры: бор , алюминий , галлий и т. Д.

Использование внешних полупроводников

Внешние полупроводники являются компонентами многих распространенных электрических устройств. Полупроводниковый диод (устройства, пропускающие ток только в одном направлении) состоит из полупроводников p-типа и n-типа, соединенных 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 имеют два слоя 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 переходным затвором (JFET), которые представляют собой три оконечных полупроводника, и полевые транзисторы с изолированным затвором ( IGFET ), которые представляют собой четыре оконечных полупроводника.

Другие устройства, реализующие внешний полупроводник:

Смотрите также

Рекомендации

  • Neamen, Дональд А. (2003). Физика полупроводников и устройства: основные принципы (3-е изд.) . Макгроу-Хилл Высшее образование. ISBN   0-07-232107-5 .

Внешние ссылки