Warto przeczytać

W półprzewodnikach typu p dominującymi nośnikami prądu są tak zwane dziury, czyli wolne miejsca po elektronie w wiązaniu międzyatomowym. Przemieszczającym się dziurom przypisuje się dodatni ładunek elektryczny. Więcej o nośnikach prądu w półprzewodnikach przeczytasz w e‑materiale: „W jaki sposób półprzewodniki przewodzą prąd elektryczny”.

Liczbę dziur w krzemie i germanie zwiększa się, gdy dodaje się do kryształów tych pierwiastków atomy innych pierwiastków – trójwartościowe - z trzynastej grupy układu okresowego. Najczęściej są to atomy boru i glinu, mogą też być to atomy galu lub indu. Atomy te wykorzystują do tworzenia wspólnych par elektronowych z sąsiednimi atomami pierwiastka macierzystego swoje trzy elektrony walencyjne. W wiązaniu z jednym z czterech sąsiadów brakuje do utworzenia pary jednego elektronu – w sposób naturalny tworzy się dziura (Rys. 1a., Rys. 1b.).

RPkWoYmn9L3mR

Rys. 1a. Na rysunku przedstawionych jest dziewięć atomów w trzech rzędach. Jest to osiem atomów germanu, rozmieszczonych w wierzchołkach i środkach boków kwadratu, które mają po cztery elektrony na zewnętrznej powłoce. Elektrony narysowane są jako niebieskie kropki i oznaczone jako elektrony walencyjne. Atomy te otaczają znajdujący się w środku atom galu, który ma trzy elektrony na ostatniej powłoce. Na powłoce galu narysowane jest puste kółko i oznaczone jako dziura z poziomu akceptorowego.

R9d22KJiRBmBE

Rys. 1b. Na rysunku przedstawione są cztery atomy krzemu, z których każdy ma cztery elektrony na ostatniej orbicie. W środku pomiędzy atomami krzemu umieszczony jest atom aluminium, który ma trzy elektrony. Na tej orbicie zaznaczona jest dziura, jako miejsce które może być zajęte przez sąsiadujący elektron.

W związkach półprzewodnikowych przewodnictwo typu p uzyskuje się na różne sposoby. Może to być domieszkowanie pierwiastkami dwuwartościowymi. Na przykład arsenek galu może być domieszkowany berylem lub cynkiem. Przewodnictwo typu p w arsenku galu można też uzyskać podstawiając w miejsce arsenu krzem lub german.

Teoria pasmowa przewodnictwa, o której możesz przeczytać w e‑materiale „Jak zbudowane są metale”, efekty związane z domieszkowaniem typu p tłumaczy wprowadzeniem przez atomy domieszek nieobsadzonych poziomów energetycznych o energii niewiele większej (rzędu 10Indeks górny -2^-2 eV) od energii elektronów walencyjnych. Poziomy te nazywane są akceptorowymi, ponieważ chętnie przyjmują elektrony z pasma walencyjnego. Rys. 2. pokazuje różnice energii między poziomami energetycznymi w krzemie domieszkowanym glinem.

R15URy84SGPph

Rys. 2. Na rysunku przedstawiony jest model pasmowy kryształu krzemu typu p domieszkowany przez atomy aluminium. W postaci poziomych prostokątów narysowane są pasmo walencyjne na dole i pasmo przewodnictwa na górze. Od górnej krawędzi pasma walencyjnego do dolnej krawędzi pasma przewodnictwa narysowano pionowy odcinek zakończony z obu stron strzałkami. Obok odcinka zapisano równanie: wielkie E z indeksem dolnym małe g równa się 1,11 elektronowolta. Poziom akceptorowy przedstawiono jako poziomą, przerywana linię prostą, leżącą blisko pasma walencyjnego. Od tej linii do górnej krawędzi pasma walencyjnego narysowano krótki, pionowy odcinek zakończony z obu stron strzałkami. Obok odcinka zapisano równanie: delta wielkie E równa się 0,072 elektronowolta. Od poziomej linii wskazującej poziom akceptorowy do dolnej krawędzi pasma przewodnictwa narysowano pionowy odcinek zakończony z obu stron strzałkami. Obok odcinka zapisano równość: 1,11 elektronowolta minus 0,072 elektronowolta równa się 1,038 elektronowolta.

Rys. 2. pokazuje, że odległość energetyczna między pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa, nazywana przerwą wzbronioną, w krzemie wynosi 1,11 eVelektronowolteV. Czyli elektrony walencyjne, aby posiadać energię z zakresu pasma przewodnictwa, muszą uzyskać energię co najmniej 1,11 eVelektronowolteV. Przerwa wzbroniona na Rys. 2. oznaczona jest jako EIndeks dolny g_g. Gdy elektrony uzyskują energię z zakresu pasma przewodnictwa, pozostawiają dziury w pasmie walencyjnym, pomiędzy którymi mogą się przemieszczać elektrony o energii z zakresu pasma walencyjnego. Ruch elektronów pomiędzy wolnymi stanami energetycznymi w pasmie walencyjnym opisuje się jako zwrócony przeciwnie do ruchu elektronów, ruch dodatnich nośników prądu – dziur.

W półprzewodnikach samoistnych (bez domieszek) liczba elektronów w pasmie przewodnictwa i dziur w pasmie walencyjnym jest jednakowa – każdy elektron uzyskujący energię z zakresu pasma przewodnictwa, pozostawia dziurę w pasmie walencyjnym.

Dodanie atomów glinu do krzemu powoduje powstanie nieobsadzonych poziomów energetycznych odległych energetycznie tylko o 0,072 eV od pasma walencyjnego. Elektrony o energii z zakresu pasma walencyjnego łatwo uzyskują taką energię od drgających atomów sieci krystalicznej i przechodzą w zakres energii poziomów akceptorowych. Elektrony, które osiągną energię poziomów akceptorowych, nie mogą przemieszczać się w krysztale – są przez ten poziom „uwięzione”. Pozostawiają jednak w pasmie walencyjnym nieobsadzone stany energetyczne – czyli dziury, pomiędzy którymi mogą się przemieszczać elektrony o energii z zakresu pasma walencyjnego. Dziury tworzą się zatem bez przechodzenia elektronów z zakresu energii pasma walencyjnego do zakresu pasma przewodnictwa. Dlatego też dziury stają się dominującymi nośnikami prądu w półprzewodnikach typu p.

Podobnie, jak dodanie atomów glinu do krzemu, działa dodanie atomów glinu do germanu. Także bor, ind lub gal mogą być bardzo dobrymi domieszkami krzemu lub germanu. Na przykład bor wprowadza do germanu poziomy akceptorowe o energii o 0,011 eVelektronowolteV, a w krzemie o 0,045 eV wyższe niż energia z zakresu pasma walencyjnego. Energia, jaką muszą uzyskać elektrony walencyjne, aby przejść w zakres energii pasm przewodnictwa jest kilkadziesiąt razy większa. W germanie wynosi około 0,67 eV, w krzemie 1,11 eV.

Typowa liczba atomów domieszek, jaką się dodaje, wynosi około 10Indeks górny 15¹⁵ - 10Indeks górny 18¹⁸ atomów domieszek na cmIndeks górny 3³- tak, jak w półprzewodnikach typu n. Powoduje to zmniejszenie oporu elektrycznego od tysiąca do stu tysięcy razy w porównaniu z półprzewodnikiem samoistnym. Wpływ domieszek na opór elektryczny właściwyopór elektryczny właściwyopór elektryczny właściwy krzemu ilustruje tabela:

Dane umieszczone w tabeli pokazują, że większy opór właściwyopór elektryczny właściwyopór właściwy przy tej samej koncentracji domieszek mają półprzewodniki typu p. Wynika to z mniejszej ruchliwościruchliwość nośnikówruchliwości dziur niż elektronów swobodnych.

Słowniczek