Примесные и беспримесные полупроводники

Чистый полупроводник проводит ток только за счет термически генерируемых электронно-дырочных пар, но преднамеренное добавление донорных или акцепторных примесей превращает его в материал n-типа или p-типа с контролируемой проводимостью.

Definition

Беспримесный полупроводник — это чистый кристалл, в котором равное количество электронов и дырок генерируется термическим возбуждением через запрещенную зону; примесный полупроводник — это полупроводник, легированный донорными или акцепторными примесями, которые создают избыток одного типа носителей, делая его n-типом или p-типом.

Scope

Эта тема различает беспримесные полупроводники, где концентрации электронов и дырок равны и определяются термическим возбуждением через запрещенную зону, и примесные (легированные) полупроводники, где донорные или акцепторные примеси поставляют основные носители заряда. Она охватывает мелкие донорные и акцепторные уровни, ионизацию, режимы вымораживания, примесной и собственной проводимости, а также результирующую температурную зависимость концентрации носителей. Она подготавливает почву для последующих тем, посвященных статистике носителей заряда и p-n переходам.

Core questions

• Как создаются носители заряда в чистом полупроводнике и почему собственная концентрация резко возрастает с температурой?
• Как донорные и акцепторные примеси производят материал n-типа и p-типа?
• Почему энергетические уровни легирующих примесей являются мелкими и как ионизация изменяется с температурой?
• Что такое режимы вымораживания, примесной и собственной проводимости концентрации носителей заряда?

Key concepts

• Собственная концентрация носителей заряда
• Донорные и акцепторные примеси
• Материал n-типа и p-типа
• Мелкие примесные уровни и ионизация
• Режимы вымораживания, примесной и собственной проводимости

Clinical relevance

Контролируемое легирование, отличающее примесный материал от беспримесного, является основой всех полупроводниковых приборов; выбор типа и концентрации легирующей примеси определяет плотность носителей заряда и проводимость областей, которые формируют диоды, транзисторы и интегральные схемы.

History

Роль примесей в проводимости полупроводников была выяснена в 1930-х и 1940-х годах, а разработка контролируемого легирования и выращивания монокристаллов в Bell Labs в конце 1940-х и начале 1950-х годов сделала возможным получение воспроизводимых материалов n-типа и p-типа, что позволило создать транзистор и полупроводниковую промышленность.

Key figures

• William Shockley
• Gordon Teal
• Walter Brattain

Seminal works

• sze2007
• ashcroft1976

Frequently asked questions

Что делает легирующую примесь донором или акцептором?

Донор имеет на один валентный электрон больше, чем атом-хозяин, который он замещает, легко отдавая его в зону проводимости (n-тип); акцептор имеет на один меньше, захватывая электрон из валентной зоны и оставляя дырку (p-тип).

Почему беспримесный полупроводник лучше проводит ток при нагревании?

Повышение температуры дает большему количеству электронов достаточно энергии для преодоления запрещенной зоны, экспоненциально увеличивая количество электронно-дырочных пар, доступных для переноса тока, что противоположно металлу, чья проводимость падает при нагревании.