Понятие доноров и акцепторов.

При малой концентрации примесей вероятность перехода электронов от одного атома примеси к другому очень мала, однако примеси могут обеспечивать переход электронов в зону проводимости, либо принимать их из валентной зоны. Для двух рассмотренных случаев, в запрещенной зоне полупроводника формируются дополнительные примесные уровни. В первом случае примесные уровни расположены в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. При отсутствии внешних энергетических воздействий, эти энергетические уровни заполнены электронами, которые при незначительных энергетических воздействиях могут переходить в зону проводимости. Величина энергии , которую необходимо сообщить электрону для перехода с приметного уровня в зону проводимости, называется энергия ионизации доноров.Такие полупроводники называют донорами. Оба проводника с примесями такого типа, наиболее существенный вклад в электропроводность вносят электроны, поставляемые с приметных уровней в зону проводимости. В таких полупроводниках концентрация электронов превышает концентрацию дырок, поэтому такие полупроводники называют полупроводниками n-типа.

Энергетическая диаграмма полупроводника n-типа.

В полупроводнике n-типа происходит смещение уровня Ферми, по сравнению с положением уровня Ферми в собственном полупроводнике, в сторону зоны проводимости. Полупроводник n-типа с донорным типом примесей формируется в случае наличия в структуре полупроводникового материала примесей с валентностью долей чем валентность собственных атомов полупроводника. В качестве примера можно привести примесь пятивалентного мышьяка в структуре четырехвалентного кремния. В данном случае четыре электрона атома мышьяка образуют ковалентные связи с атомами кремния, а пятая связь остается незаполненной, в результате электрон становится менее сильно связан с атомом и достаточно относительно небольшого энергетического воздействия, чтобы оторвать его от атома.

Во втором случае, в результате внесения примесей возникают незаполненные энергетические уровни в зоне проводимости вблизи потолка валентной зоны. Из-за теплового воздействия возникает вероятность перехода электронов из валентной зоны на эти незаполненные примесные энергетические уровни. Поскольку эти уровни расположены сравнительно недалеко от потолка валентной зоны, то необходимое энергетическое воздействие для перехода электронов валентной зоны на эти уровни значительно меньше, чем нужно для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Величина этой энергии называется энергия ионизации акцептора, а, соответсвенно, примеси, образующие такие энергетические уровни, называют акцепторами. В связи с тем, что концентрация примесей значительно меньше концентрации атомов самого полупроводника и атомы примесей достаточно разрозненные, то электроны, перешедшие на эти приметные уровни выбывают из процесса электропроводности. В результате перехода электронов из валентной зоны на примесные уровни, в валентной зоне образуются положительно заряженные дырки. Полупроводники такого типа характеризуются концентрацией дырок значительно более чем концентрация электронов и полупроводники с примесями такого типа называют полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками p-типа.

Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа:

В полупроводнике p-типа уровень Ферми по сравнению с положением в собственном полупроводнике смещается в сторону валентной зоны. Примеси такого типа формируются в случае введения в состав полупроводника примесей с валентностью меньшей, чем валентность собственных атомов полупроводника. Например: при внесении в состав кремния трехвалентного атома алюминия для установления химической связи с соседними атомами кремния нахватает одного электрона. В результате атом алюминия может захватить дополнительные электрон у одного из соседних атомов кремния. В данном случае у кремния формируется незавершенная химическая связь и образуется энергетическая вакансия. Образовавшаяся незавершенная химическая связь приводит к тому, что энергия необходимая для отрыва дырки от атома кремния значительно меньше, чем энергия которая необходима для ионизации собственных атомов кремния. Величина этой энергии, называемой энергии ионизации акцепторов, достаточно невелика и при сравнительно небольших температурных воздействиях, возможен переход электронов на пресные уровни и формирование дырочкой проводимости.

В примесном полупроводнике концентрация носителей заряда электронов и дырок соответственно отличается от концентраций в собственном полупроводнике. Произведение концентраций электронов и дырок определяется формулой:

В примерном полупроводнике носители зарядов, концентрации которых больше, в примесном полупроводнике, называют основными носителями заряда, носители заряда, концентрация которых меньше, называют неосновными носителями заряда. Соотвественно в полупроводнике основными постелями заряда являются электроны, а в полупроводнике p-типа дырки.

Лекция№9.

ПЕРЕПИСАТЬ!!!

Лекция№10.

Существую два основных механизма рекомбинации: межзонная рекомбинация, рекомбинация с участием ловушек. В процессе рекомбинации избыточная энергия может выделяться либо в виде излучения фотона, либо передаваться кристаллической решетке. Соответсвенно механизм рекомбинации подразделяется на излучательные и безизлучательные. Межзонная рекомбинация: в случае реализации данного механизма рекомбинации происходит переход электронов из зоны проводимости на свободные энергетические уровни в валентной зоне. Как правило механизм рекомбинации имеет излучательный характер и параллельно с процессом рекомбинации происходит выделение фотонов. Рекомбинация с участием ловушек: в случае реализации данного механизма, процесс рекомбинации протекает существенно в дополнительных энергетических уровнях, называемых ловушками. Рекомбинационными ловушками являются примеси и дефекты кристаллической структуры, образующие в запрещенной зоне дополнительные энергетические уровни. В данном случае процесс рекомбинации протекает в два этапа: сначала происходит переход электрона из зоны проводимости на энергетический уровень ловушки на котором электрон находится до того момента, как в непосредственной близости окажется дырка, после чего происходит процесс рекомбинации с переходом электрона в валютную зону. Рекомбинация с участием ловушек, как правило, является безизлучательной. Помимо рекомбинационных ловушек в полупроводниках присутствуют ловушки захвата. Это примесные энергетические уровни, которые взаимодействуют только с одной из энергетических зон, при этом происходит захват частиц валентной зоны или зоны проводимости, в результате чего данная частица выбывает из процесса рекомбинации. После некоторого времени нахождения на уровне ловушки захвата, заряженные частицы возвращаются в ту же энергетическую зону. Основными параметрами, характеризующими процессы рекомбинации, являются: диффузионная дыра и время жизни неравномерных носителей заряда. Временем жизни неравновесных носителей заряда называют отношение избыточной концентрации неравновесных носителей заряда к скорости изменения этой концентрации.

В случае если концентрация носителей заряда пропорциональна скорости рекомбинации, то такую рекомбинацию называют линейной и скорость рекомбинации связана с временем жизни неравновесных носителей заряда следующим соотношением:

Концентрация неравновесных носителей заряда, в случае прекращения действия внешнего фактора, вызывающего ————— экспоненциально убывает с течением времени:

Из этой формулы следует, что время жизни является характеристической величиной, показывающей за какое время в случае отсутствия внешнего воздействия концентрация неравновесных носителей зарядов уменьшится в е раз. Величина времени жизни определяется числом и типом рекомбинационных ловушек. В случае если генерация неравновесных носителей заряда происходит не во всем объёме, то в полупроводнике формируется локальная область с избыточной концентрацией носителей заряда. Даже в отсутствии внешнего электрического поля будет происходить диффузия носителей зарядов из области с повышенной концентрацией в другие области полупроводника, при этом по направлению от точки генерации концентрация неравновесных носителей зарядов будет экспоненциально убывать.

Диффузионная длинна - это расстояние на котором в однородном полупроводнике при отсутствии внешних электромагнитных полей, избыточная концентрация носителей заряда в следствии рекомбинации уменьшается в е раз. То есть это среднее расстояние, которое проходит ———. Величина диффузионной длины для электронов и дырок определяется соотношением:

Величина коэффициента диффузии прямопропорциональна подвижности носителей заряда.

Время жизни носителей неравновесных зарядов может составлять от 10^-10 до 10^-4 секунды. Соответсвенно диффузионная длинна может меняться от 0,010 до 0,1 мм. Соответственно, чем больше химическая чистота и чем правильнее кристаллическая структура полупроводника, тем больше время жизни и диффузионная длинна.