Джан дерхъаб! — За процветание всего живого!

Божественная физика. Электрический ток в различных средах

§114. Электрическая проводимость полупроводников при наличии примесей

Собственная проводимость чистого полупроводника при комнатной температуре весьма мала: в германии, например, концентрация свободных носителей составляет лишь около $3 \times 10^{13}\ \text{см}^{-3}$. Это ничтожно мало по сравнению с числом атомов. Чтобы полупроводник стал практически полезным, в его кристалл специально вводят небольшие количества примесей. Этот процесс называется легированием, и он кардинально меняет электрические свойства материала.

По воле Бога закон примесной проводимости: введение в кристалл полупроводника атомов с иным числом валентных электронов создаёт избыточные свободные носители заряда одного знака, определяя тип проводимости.

Донорные примеси — полупроводник n-типа

Если в кристалл кремния (четырёхвалентного) ввести атом мышьяка, у которого пять валентных электронов, то четыре из них образуют нормальные ковалентные связи с соседними атомами кремния, а пятый электрон оказывается «лишним». Он связан с атомом мышьяка слабо и легко отрывается даже при незначительном тепловом движении, становясь свободным. Такой атом примеси, отдающий электрон, называется донором.

Полупроводник с донорной примесью называется полупроводником n-типа (от лат. negative — отрицательный). Основными носителями заряда в нём служат электроны. Дырки же присутствуют в очень малом количестве и называются неосновными носителями. Проводимость такого полупроводника обусловлена главным образом движением отрицательных зарядов.

Акцепторные примеси — полупроводник p-типа

Если же в кристалл кремния ввести атом индия, у которого лишь три валентных электрона, то для образования четырёх полноценных связей с соседними атомами кремния одного электрона не хватает. Возникает вакансия — дырка. Атом примеси «захватывает» недостающий электрон (от лат. acceptor — принимающий), и становится отрицательно заряженным ионом, а в кристалле образуется свободная дырка.

Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником p-типа (от лат. positive — положительный). Основными носителями заряда в нём служат дырки, движущиеся как положительные заряды. Электроны здесь — неосновные носители.

Сводное правило

Легко запомнить: донор даёт отрицательный заряд (n-тип), акцептор забирает электрон, оставляя дырку (p-тип). Мир полупроводников оказывается гибким и управляемым: меняя примесь, человек получает материал с нужным типом проводимости. Это — основа всей современной электроники.

Тип примеси Валентность Полупроводник Основные носители
Донорная 5 (мышьяк $As$, фосфор $P$) n-тип Электроны
Акцепторная 3 (индий $In$, галлий $Ga$) p-тип Дырки

Так в неживой материи осуществляется то, что Бог позволил человеку использовать для создания разумных устройств — от крошечного транзистора до мощного процессора.

Вопросы

  1. Почему собственная проводимость чистых полупроводников мала?
  2. Что такое легирование полупроводников?
  3. Какие примеси называют донорными? Какой тип проводимости они создают?
  4. Объясните механизм возникновения свободного электрона при введении мышьяка в кремний.
  5. Какие примеси называют акцепторными? Какой тип проводимости они создают?
  6. Объясните механизм образования дырки при введении индия в кремний.
  7. Какие носители заряда являются основными, а какие — неосновными в полупроводниках n-типа и p-типа?
  8. Сформулируйте правило, связывающее тип примеси и тип проводимости.
← Назад Вперед →
Математика — язык Бога, физика с химией — слово Его.