Przeczytaj
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.).
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.
Rys. 2. pokazuje, że odległość energetyczna między pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa, nazywana przerwą wzbronioną, w krzemie wynosi 1,11 eVeV. Czyli elektrony walencyjne, aby posiadać energię z zakresu pasma przewodnictwa, muszą uzyskać energię co najmniej 1,11 eVeV. Przerwa wzbroniona na Rys. 2. oznaczona jest jako EIndeks dolny gg. 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 eVeV, 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 właściwy krzemu ilustruje tabela:
Koncentracja domieszek [1/cmIndeks górny 33] | 5·10Indeks górny 1212 | 10Indeks górny 1313 | 5·10Indeks górny 1313 | 10Indeks górny 1414 | 5·10Indeks górny 1414 | 10Indeks górny 1515 | 5·10Indeks górny 1515 | 10Indeks górny 1616 | 5·10Indeks górny 1616 | 10Indeks górny 1717 | 5·10Indeks górny 1717 | 10Indeks górny 1818 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Opór elektryczny właściwyOpór elektryczny właściwy półprzewodnika typu n [omegacm] | 1000 | 400 | 200 | 50 | 10 | 5 | 1 | 0,5 | 0,18 | 0,1 | 0,04 | 0,02 |
Opór elektryczny właściwy półprzewodnika typu p [omegacm] | 3000 | 1500 | 500 | 150 | 30 | 15 | 3 | 2 | 1 | 0,2 | 0,08 | 0,04 |
Dane umieszczone w tabeli pokazują, że większy opór właściwyopór właściwy przy tej samej koncentracji domieszek mają półprzewodniki typu p. Wynika to z mniejszej ruchliwościruchliwości dziur niż elektronów swobodnych.
Słowniczek
(ang.: electronvolt) jednostka energii równa energii kinetycznej, jaką uzyskuje elektron rozpędzony napięciem 1 V. Stąd 1 eV= 1,6·10Indeks górny -19-19 CV = 1,6·10Indeks górny -19-19 J.
(ang.: electrical resistivity) miara zdolności materiału do stawiania oporu przepływającemu prądowi elektrycznemu. Możemy opisać ją wzorem ƍ = gdzie ƍ - opór elektryczny właściwy, R- opór elektryczny przewodnika, S – pole przekroju poprzecznego przewodnika, l – długość przewodnika.
(ang.: electron mobility) wielkość opisująca wpływ zewnętrznego pola elektrycznego na średnią prędkość dryfu nośników. Wyrażamy ją wzorem , gdzie mu -ruchliwość u- średnia prędkość dryfu nośników, E‑natężenie zewnętrznego pola elektrycznego.