Föroreningskonduktivitet hos halvledare - elektrisk konduktivitet på grund av närvaron av donator- eller acceptorföroreningar i halvledaren .
Föroreningars ledningsförmåga är som regel mycket högre än sin egen , och därför bestäms de elektriska egenskaperna hos halvledare av typen och mängden dopämnen som införs i den .
Halvledares inneboende konduktivitet är vanligtvis låg, eftersom antalet fria elektroner, till exempel i germanium vid rumstemperatur, är i storleksordningen 3·10 13 /cm 3 . Samtidigt är antalet germaniumatomer i 1 cm 3 ~ 10 23 . Halvledares konduktivitet ökar med införandet av föroreningar, när, tillsammans med inneboende konduktivitet, en ytterligare föroreningskonduktivitet uppstår.
Orenhetscentra kan vara:
Genom att ändra koncentrationen av föroreningar kan man avsevärt öka antalet laddningsbärare av ett eller annat tecken och skapa halvledare med en övervägande koncentration av antingen negativt eller positivt laddade bärare.
Föroreningar kan delas in i donator (donerande) och acceptor (mottagande).
Låt oss överväga mekanismen för elektrisk ledningsförmåga hos en halvledare med en donator femvärdig förorening av arsenik As 5+ , som införs i en kristall, till exempel kisel. En femvärdig arsenikatom donerar fyra valenselektroner för att bilda kovalenta bindningar, och den femte elektronen är ledig i dessa bindningar.
Frigöringsenergin (joniseringsenergin) för den femte valenselektronen av arsenik i kisel är 0,05 eV = 0,08·10 −19 J, vilket är 20 gånger mindre än energin för lösgöring av en elektron från en kiselatom. Därför, redan vid rumstemperatur, förlorar nästan alla arsenikatomer en av sina elektroner och blir positiva joner. Positiva arsenikjoner kan inte fånga elektronerna från angränsande atomer, eftersom alla fyra av deras bindningar redan är utrustade med elektroner. I det här fallet uppstår inte förskjutningen av elektronvakansen - "hål" och hålets ledningsförmåga är mycket liten, det vill säga praktiskt taget frånvarande. En liten del av halvledarens egna atomer joniseras, och en del av strömmen bildas av hål, det vill säga donatorföroreningar är föroreningar som tillför ledningselektroner utan att lika många rörliga hål uppstår. Det vi slutar med är en halvledare med övervägande elektronisk ledning, en så kallad n-typ halvledare .
När det gäller en acceptorförorening, till exempel trivalent indium In 3+ , kan föroreningsatomen ge sina tre elektroner för kovalent bindning med endast tre närliggande kiselatomer, och en elektron "saknas". En av elektronerna i angränsande kiselatomer kan fylla denna bindning, då kommer In-atomen att bli en orörlig negativ jon, och ett hål bildas i stället för elektronen som lämnade en av kiselatomerna. Acceptorföroreningar, som fångar elektroner och därigenom skapar rörliga hål, ökar inte antalet ledningselektroner. Majoriteten av laddningsbärarna i en halvledare med en acceptorförorening är hål och minoritetsbärarna är elektroner.
Halvledare där koncentrationen av hål överstiger koncentrationen av ledningselektroner kallas halvledare av p-typ .
Det bör noteras att införandet av föroreningar i halvledare, som i alla metaller, stör strukturen hos kristallgittret och hindrar elektronernas rörelse. Resistansen ökar dock inte på grund av att en ökning av koncentrationen av laddningsbärare minskar motståndet avsevärt. Sålunda minskar införandet av en borförorening i mängden 1 atom per hundra tusen kiselatomer den elektriska resistiviteten hos kisel med ungefär tusen gånger, och inblandningen av en indiumatom per 10 8 - 10 9 germaniumatomer minskar den elektriska resistiviteten av germanium miljontals gånger.
Förmågan att kontrollera resistiviteten genom att införa föroreningar används i halvledarenheter.
Hålledningsförmåga är inte en exklusiv egenskap hos halvledare. Vissa metaller och deras legeringar har en blandad elektron-hålledningsförmåga på grund av förskjutningen av någon del av de icke-kollektiva valenselektronerna. Till exempel, i zink, beryllium, kadmium, koppar-tennlegeringar dominerar hålkomponenten i den elektriska strömmen över den elektroniska.
Om både donator- och acceptorföroreningar samtidigt införs i en halvledare, så bestäms konduktivitetens natur (n- eller p-typ) av en förorening med en högre koncentration av strömbärare - elektroner eller hål.
Aksenovich L. A. Fysik i gymnasiet: Teori. Uppgifter. Tester: Proc. ersättning för institutioner som tillhandahåller allmänt. miljöer, utbildning / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Minsk: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 302-303.