Donator (fysik)

Donator i fasta tillståndets fysik (se även halvledare ) - en förorening i kristallgittret , som ger kristallen en elektron . Det introduceras med en kovalent typ av bindning. Det finns enkelladdade och flerfaldigade givare . Till exempel, i kristaller av element i grupp IV i det periodiska systemet av element ( kisel , germanium ), är elementen i grupp V enkelladdade donatorer: fosfor , arsenik , antimon . Eftersom elementen i den femte gruppen har valensen 5, bildar fyra elektroner en kemisk bindning med fyra angränsande kiselatomer i gittret, och den femte elektronen visar sig vara svagt bunden ( bindningsenergin är i storleksordningen flera hundradelar av en elektronvolt) och bildar det så kallade väteliknande föroreningscentrumet , vars energi helt enkelt uppskattas från lösningen av Schrödinger-ekvationen för väteatomen , med hänsyn till att elektronen i kristallen är en kvasipartikel och dess effektiva massa skiljer sig från elektronens massa , och även att elektronen inte rör sig i ett vakuum , utan i ett medium med en viss (ca 10) permittivitet .

Atomer av donatorföroreningar, som förs in i halvledaren och donerar en eller flera elektroner till den, skapar ett överskott av elektroner och bildar den så kallade halvledaren av n-typ . Donatoratomen behåller den extra elektronen svagt, och vid en tillräcklig temperatur kan denna elektron passera in i ledningsbandet och delta i kristallens elektriska ledningsförmåga .

Den extra elektronen som är bunden till donatoratomen bildar vad som kallas donatornivån i bandgapet . En donatornivå kallas ytlig om dess energi (mätt från botten av ledningsbandet ) är jämförbar med den karakteristiska energin för termisk rörelse vid rumstemperatur , där  är temperaturen och  är Boltzmann-konstanten . Denna energi är cirka 26 meV . Grunda donatorer kan inte bara vara föroreningsatomer, utan också komplex av strukturella defekter (till exempel de så kallade termiska donatorerna i kisel ). Många föroreningar och punktdefekter , (till exempel guld och koppar i kisel , vakanser , är djupa donatorer. Till skillnad från grunda donatorer har de liten effekt på den elektriska resistiviteten , men minskar avsevärt livslängden för icke- jämviktsladdningsbärare .

Den extra elektronen attraheras av Coulomb-kraften till donatorjonen, som har en överdriven positiv laddning jämfört med halvledarens atomer. På grund av denna attraktion bildar donatornivåerna en väteliknande serie med energier som kan beräknas från formeln

var  är energin för givarnivån,  är energin i botten av ledningsbandet,  är Rydberg-konstanten (ca 13,6 eV),  är den effektiva massan av elektronen,  är massan av den fria elektronen,  är permittiviteten för halvledaren, och n  är ett heltal som kan ta värden från ett till oändligt, men bara ett fåtal av de lägsta nivåerna med litet n är praktiskt taget viktiga .

På grund av det faktum att de effektiva elektronmassorna i halvledare är små och de dielektriska permittiviteterna är ganska stora (i storleksordningen 10), är energin för givarnivåerna låg, och lokaliseringsradien för motsvarande vågfunktioner är ganska stora ~ 10 nm och sträcker sig över flera perioder av kristallgittret.

Se även

Litteratur