есть ли какое нибудь различие между дыркой и положительным ионом в полупроводниках

Чем отличается дырка от катиона, положительного иона?

Пользователи

Дырка. движется как положительно заряженная частица (катион?).

ИОН — электрически заряженная частица, образующаяся при отрыве или присоединении одного или неск. электронов (или др. заряж. частиц) к атому, молекуле, радикалу и др. иону.Положительно заряженные Ион наз. катионами.

Ион — это частица, а Дырка — квазичастица?

Определение по ГОСТ 22622-77: «Дырка — незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд, численно равный заряду электрона».

Пользователи

Дырка. движется как положительно заряженная частица (катион?).

ИОН — электрически заряженная частица, образующаяся при отрыве или присоединении одного или неск. электронов (или др. заряж. частиц) к атому, молекуле, радикалу и др. иону.Положительно заряженные Ион наз. катионами.

Попробуйте «дырку», рассмотреть-как гипотетическую частицу: маорановский фермион, особенно что многие исследователи утверждают о его обнаружении.

Если к правде святой, мир дорогу найти не сумеет, честь безумцу, который навеет, человечеству «сон» золотой. Пьер-Жан Беранже

Источник

Есть ли какое нибудь различие между дыркой и положительным ионом в полупроводниках

§ 9. Электрическая проводимость полупроводников

Как и в металлах, появление электрического тока в полупроводниках связано с возникновением дрейфа носителей заряда. Но если в металлах наличие свободных электронов в кристалле обусловлено самой природой металлической связи, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется многими факторами, среди которых наиболее важными являются чистота полупроводника и его температура.

Полупроводники делятся на чистые, или, как их называют, собственные, и примесные, или легированные. Примесные полупроводники в свою очередь, в зависимости от типа вводимой примеси, делятся на донорные, или электронные, и акцепторные, или дырочные. Рассмотрим каждую из этих групп полупроводников отдельно.

Собственные полупроводники

Собственными называются полупроводники высокой степени очистки. В этом случае свойства всего кристалла определяются только свойствами собственных атомов полупроводникового элемента.

Электронная проводимость. При температуре, близкой к абсолютному нулю, все атомы кристалла связаны между собой ковалентными связями, в создании которых заняты все валентные электроны. И хотя, как мы уже отмечали ранее, все валентные электроны в одинаковой степени принадлежат всем атомам кристалла и могут переходить от одного атома к другому, тем не менее электрической проводимостью кристалл в таких условиях не обладает. Всякий переход электрона от атома к атому сопровождается встречным переходом; при этом прямой и встречный переходы происходят одновременно и приложенное электрическое поле не может создать направленного перемещения зарядов. Свободных же электронов в условиях сверхнизких температур нет.

С позиции зонной теории такая ситуация соответствует тому, что валентная зона целиком заполнена, а зона проводимости совершенно пуста.

При повышении температуры тепловые колебания кристаллической решетки сообщают электронам дополнительную энергию. В определенных условиях энергия электрона оказывается больше энергии ковалентной связи, и он, разрывая эту связь, переходит в межузельное пространство кристалла, становясь “свободным”. Такой электрон может свободно перемещаться в межузельном пространстве кристалла независимо от перемещения других электронов (электрон 1 на рисунке 16).

Рис. 16

На диаграмме энергетических уровней “освобождение” электрона означает переход электрона из валентной зоны в зону проводимости (рис. 17). Энергия разрыва ковалентной связи в кристалле как раз и равна ширине запрещенной зоны W_g, то есть энергии, которую должен иметь электрон, чтобы из валентного он мог стать электроном проводимости. Понятно, что, чем уже запрещенная зона кристалла, тем при более низкой температуре начнут появляться свободные электроны. Иначе говоря, при одной и той же температуре кристаллы с более узкой запрещенной зоной будут обладать большей проводимостью из-за большей концентрации электронов n в зоне проводимости. Соответствующие данные для случая комнатной температуры приведены в таблице 2.

Рис. 17

Таблица 2

Если, например, алмаз нагреть до температуры 600 К, то концентрация свободных электронов в нем увеличивается настолько, что становится сравнимой с концентрацией электронов проводимости в германии, находящемся при комнатной температуре. Это еще раз убеждает в том, что деление твердых тел на диэлектрики и полупроводники носит условный характер.

Рассмотрим для наглядности цепочку из шашек, в которой имеется одно вакантное место (рис. 18, а). Последовательное перемещение слева направо четырех шашек (рис. 18, б) можно рассматривать как перемещение на четыре места во встречном направлении самого вакантного места. Нечто подобное происходит и в полупроводнике. Последовательный переход электронов 2 и 3 (рис. 16) на место, освободившееся от ухода электрона 1, равносильно переходу в противоположном направлении самой вакансии, путь которой указан штриховой линией.

Рис. 18

В физике полупроводников подобные вакансии и получили название дырок. Каждой дырке приписывается положительный заряд +е, численно равный заряду электрона. Такой подход позволяет вместо описания последовательных переходов цепочки электронов (каждого в соседний атом) рассматривать ряд переходов одной дырки, что существенно упрощает расчеты.

Число дырок равно числу свободных электронов. В собственном полупроводнике мы рассматриваем два типа носителей заряда: электроны (носители отрицательного заряда) и дырки (носители положительного заряда). Число дырок всегда равно числу электронов, так как появление электрона в зоне проводимости однозначно связано с появлением дырки в валентной зоне. Поэтому в создании проводимости собственных полупроводников дырки и электроны выступают на равных правах. Разница заключается лишь в том, что электронная проводимость обусловлена перемещением свободных электронов в межузельном пространстве кристалла (то есть перемещением электронов, перешедших в зону проводимости), в то время как дырочная проводимость связана с переходом электронов от атома к атому в системе ковалентных связей кристалла (то есть переходами электронов, оставшихся в валентной зоне).

В соответствии с наличием в собственных полупроводниках двух типов носителей зарядов и само выражение для удельной электрической проводимости собственных полупроводников представляется в виде двух слагаемых:

Несмотря на внешнее равноправие электронов и дырок и равенство их концентраций (n_i = p_i), вклад электронной проводимости в проводимость собственного полупроводника, как правило, больше вклада дырочной проводимости. Объясняется это большей подвижностью электронов по сравнению с дырками. Так, в германии подвижность электронов почти в два раза больше подвижности дырок, а, например, в антимониде индия InSb отношение подвижности электронов к подвижности дырок достигает 80.

Забегая немного вперед, отметим, что появление проводящих свойств в полупроводнике может быть обусловлено не только повышением температуры, но и другими внешними воздействиями, например облучением светом или бомбардировкой быстрыми электронами. Важно лишь, чтобы внешнее воздействие вызывало переход электронов из валентной зоны в зону проводимости или, как говорят, чтобы были созданы условия для генерации свободных носителей заряда в объеме полупроводника.

Собственная проводимость со строгим равенством концентраций носителей различных знаков (n_i = p_i) может быть реализована только в сверхчистых идеальных кристаллах полупроводника. В реальных условиях мы всегда имеем дело с кристаллами, в той или иной степени загрязненными различными примесями. Более того, именно примесные полупроводники и представляют наибольший интерес в полупроводниковой технике.

Примесные полупроводники

Донорные примеси. Наличие примесных атомов в объеме собственного полупроводника приводит к некоторому изменению энергетического спектра кристалла. Если в собственном полупроводнике валентные электроны могут иметь энергию только в области разрешенных зон (в пределах валентной зоны или зоны проводимости), а в зоне запрещенных энергий им “находиться” запрещено, то электроны атомов некоторых определенных примесей могут иметь энергию, лежащую в пределах запрещенной зоны. Таким образом в энергетическом спектре появляются дополнительные разрешенные примесные уровни в запрещенной области между потолком W_υ валентной зоны и дном W_c зоны проводимости.

Рис. 19

На языке зонной теории создавшаяся ситуация как раз и означает появление в энергетическом спектре кристалла дополнительного разрешенного уровня, соответствующего энергии пятого валентного электрона мышьяка. Располагается он вблизи дна зоны проводимости (рис. 20) и отстоит от нее на расстоянии

Рис. 20

При низких температурах, близких к абсолютному нулю, все пятые электроны примесных атомов мышьяка остаются связанными со своими атомными остатками, иначе говоря, находятся на своем донорном уровне. Зона проводимости при этом остается пустой, и донорный полупроводник, как и собственный полупроводник, при Т = 0 ничем не отличается от типичного диэлектрика. Однако уже при незначительном повышении температуры, когда энергия тепловых колебаний решетки становится сравнимой с энергией связи W_d ≈ 0,01 эВ, происходит отрыв пятых электронов от атомов мышьяка и переход их в зону проводимости. Донорный полупроводник приобретает проводящие свойства за счет появления свободных электронов в межузловом пространстве кристаллической решетки.

Обратим особое внимание на то, что положительные заряды, остающиеся после ухода электронов с донорных уровней, принципиально отличаются от дырок в собственном полупроводнике. Ушедшие электроны атомов примеси не участвовали в создании ковалентных связей кристалла и не принадлежали валентной зоне, поэтому оставшиеся положительные заряды представляют собой положительно заряженные ионы донорной примеси (в рассматриваемом случае мышьяка), зафиксированные в кристаллической решетке и не принимающие никакого участия в электропроводности кристалла.

Так как электронная проводимость является основной проводимостью в кристаллах с донорной примесью, то полупроводники с донорными примесями называют еще электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа.

Электронная проводимость является преимущественной проводимостью в донорных полупроводниках при достаточно низких температурах. В области повышенных температур, например при комнатной температуре, в зоне проводимости, помимо электронов, перешедших с донорного уровня, появляются электроны, перешедшие из валентной зоны благодаря разрыву валентных связей. Такие переходы, как мы знаем, сопровождаются появлением в валентной зоне дырок и образованием дырочной проводимости. Тем не менее электронная проводимость остается во много раз превосходящей дырочную проводимость.

Например, если в кристалле германия на 10 миллионов атомов германия приходится всего один атом мышьяка, то при комнатной температуре концентрация электронов проводимости оказывается выше концентрации дырок почти в 2000 раз.

Акцепторные полупроводники. Рассмотрим теперь случай, когда в кристалле германия вместо пятивалентного атома мышьяка имеется примесный трехвалентный атом индия (рис. 21). Для создания ковалентных связей с четырьмя ближайшими соседями атому индия не хватает одного электрона, то есть в кристаллической решетке германия одна двойная связь оказывается неукомплектованной. В принципе создание полноценной ковалентной связи с четвертым соседом может быть обеспечено переходом к атому индия электрона от другого атома германия, но для этого электрону необходима некоторая дополнительная энергия. Поэтому при температуре, близкой Т = 0, когда такой дополнительной энергии электрону получить неоткуда, валентные электроны германия остаются при своих атомах, находясь в валентной зоне, а примесные атомы индия так и остаются нейтральными атомами с неукомплектованными четвертыми связями. Однако само наличие атомов индия в кристалле создает принципиальную возможность для перехода электронов, получивших некоторую дополнительную энергию W_a, на более высокие энергетические уровни, обусловленные созданием дополнительных связей атомами индия (рис. 22). Ясно, что при T = 0 рассматриваемый полупроводник электропроводностью не обладает, так как нет свободных носителей заряда (ни электронов в зоне проводимости, ни дырок в валентной зоне).

Рис. 21

Рис. 22

Рис. 23

Источник

Полупроводники ( формула примеры)

Что такое полупроводники

Это — вещества, в которых количество подвижных носителей зарядов при обычном состоянии полупроводника ничтожно, но значительно (в тысячи раз) увеличивается при внешних воздействиях, например при нагревании, поглощении света и т. п.

Какие элементы считаются полупроводниками

К полупроводникам относится часть элементов IV, V и VI групп таблицы Менделеева, а также значительная часть окислов, Сернистых и других соединений металлов. Характерными полупроводниками являются кремний, германий, селен, закись меди и др.

Как указывалось, сила тока в проводнике прямо пропорциональна концентрации (количество в единице объема) носителей зарядов и средней скорости перемещения их в направлении поля. При постоянном приложенном напряжении (U = const) эта скорость также постоянна, следовательно, сила тока I прямо пропорциональна концентрации N зарядов:

Если это сопоставить с формулой закона Ома:

I = U/R = UG,

то получим, что электропроводность G прямо пропорциональна концентрации N зарядов:

Поскольку при внешних воздействиях в полупроводниках изменяется концентрация носителей зарядов, то соответственно будет изменяться и их электропроводность.

Различие между полупроводником и металлами

Физическими носителями зарядов в полупроводниках являются электроны. Однако в связи с некоторым различием процесса образования тока в них полупроводники разделяются на две основные группы: электронные и дырочные.

В электронных полупроводниках (типа n, от латинского слова negati υe — отрицательный) имеются свободные электроны, которые в процессе теплового движения могут перемещаться по всей массе полупроводника подобно электронам в металлах (рис. 2, а, на котором, как и на последующих, обозначено: полным кружком — атомы электрически нейтральные, кружком с выемкой — атомы, потерявшие электрон, маленьким кружком — электроны).

Основное различие между полупроводниками и металлами заключается в том, что концентрация свободных электронов в металлах достаточно высокая и практически не зависит от температуры. В полупроводниках она при обычных температурах в миллионы раз меньше, однако внешние воздействия, особенно нагревание, повышают концентрацию сво бодных электронов в тысячи и даже сотни тысяч раз.

Если на электронный полупроводник действует электрическое поле, то движение электронов принимает направленный характер (рис. 2, б; линии напряженности поля показаны пунктиром), т. е. в полупроводнике образуется электрический ток, хотя и незначительный по величине. На рис. 208, а показана схематически цепь, содержащая электронный полупроводник. На его границах происходит переход электронов из внешней цепи в полупроводник или обратно.

В дырочных полупроводниках (типа р, от латинского слова positive — положительный) движение электронов ограничено, они могут перескакивать от одного атома к другому, вблизи лежащему. В связи с этим некоторые электрические процессы в этих полупроводниках протекают иначе, чем в полупроводниках электронных, вследствие чего они и выделены в особую группу. При этом оказалось, что образование тока в них удобнее связать не с перемещением электронов, а с условным движением особых носителей положительных зарядов, называемых дырками.

Понятие дырки связано с кристаллическим строением вещества. Дыркой называется незаполненная связь атома, находящегося в узле пространственной решетки вещества, с соседними атомами или, другими словами, свободное место в атоме, находящемся в пространственной решетке., которое может быть занято посторонним ему электроном. Дырки при этом рассматриваются как эквивалент положительного заряда, по величине равного электрону. Простейшим примером дырки является свободное вместо электрона у положительного иона, находящегося в пространственной решетке из атомов того же вещества.

Как работает полупроводник

Рассмотрим полупроводник, в пространственной решетке которого тем или иным путем образовались дырки. В процессе теплового движения наиболее слабо связанные с ядром электроны соседних атомов могут перескакивать в эти дырки.

При этом будут заполняться (ре комбинироваться) одни дырки и образовываться вновь другие, в результате чего дырки будут беспорядочно перемещаться по всей массе полупроводника (рис. 4, а). Если на полупроводник действует электрическое поле, то перескок электронов между дырками, а соответственно и перемещение самих дырок примет направленный характер (рис. 4, б). На рис. 4, в показан конечный результат: все дырки переместились к отрицательному электроду.

Это явление представляет собой электрический ток (направленное движение зарядов) в полупроводнике, образование которого можно связать или с цепочечным перескоком электронов как физических носителей отрицательных зарядов, или с перемещением в обратном направлении дырок как условных носителей положительных зарядов.

Последнее является более удобным, так как позволяет лучше отличить явления, которые происходят в дырочном полупроводнике, от аналогичных явлений в электронном полупроводнике. Таким образом, ток в этом случае рассматривается как направленное движение положительных зарядов — дырок, а полупроводник соответственно называется дырочным.

На рис. 3, б показана цепь, содержащая дырочный полупроводник. На электроде, к которому подходят электроны из внешней цепи, происходит их рекомбинация с дырками, около противоположного электрода образуются дырки путем отделения электронов, которые переходят во внешнюю цепь.

В общем случае в любом полупроводнике имеется как электронная, так и дырочная проводимость. Пусть, например, в результате нагревания у части атомов полупроводника освободились электроны, они создают электронную проводимость. В то же время на месте оторвавшихся электронов остались дырки, в которые могут переходить электроны от другой части атомов.

Эти дырки создают дырочную проводимость. При действии на подобный полупроводник электрического поля движение как электронов, так и дырок, суммируясь, образует полный ток в полупроводнике, обусловленный его смешанной электронно-дырочной проводимостью. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводника. Она сравнительно невелика.

В силу ряда причин (естественные нарушения в пространственной решетке, наличие ничтожного количества инородных примесей и т. п.) в реальных условиях у полупроводников обычно преобладает одна из проводи мостей: или электронная или дырочная. Чаще тот или другой характер проводимости придается полупроводнику искусственно с помощью примесей.

Для этого к атомам полупроводника примешиваются, например, путем сплавления атомы веществ, отличающихся от него по валентности. Атомы примесей, попадая в полупроводник, занимают места в его пространственной решетке и образуют связи с соседними атомами. Если примесные атомы имеют больше валентных электронов, чем атомы основного вещества, например пятивалентные элементы в четырехвалентном полупроводнике, то лишние (не образующие связь с соседними атомами) электроны освобождаются и увеличивают электронную проводимость полупроводника.

Элект роны в данном случае будут основными носителями зарядов и концентрация их в полупроводнике будет высокая. Если в таком полупроводнике имеются (или образуются) дырки, то они являются неосновными носителями зарядов и концентрация их будет значительно более низкой.

Если примесные атомы имеют меньше валентных электронов (трехвалентные элементы в четырехвалентном полупроводнике), то при образовании связи с атомами основного вещества к ним переходят электроны соседних атомов, у которых соответственно образуются дырки. Таким образом увеличивается дырочная проводимость полупроводника. Дырки будут основными носителями зарядов и концентрация их в полупроводнике будет высокая. Если у таком полупроводнике имеются (или образуются) свободные электроны, то они являются неосновными носителями зарядов и концентрация их будет значительно более низкой.

Пример на основе германия

Поясним сказанное на примере германия. Германий имеет пространственную решетку «алмазного» типа. Она получается путем образования вокруг каждого ядра общих электронных оболочек из восьми электронов: четырех валентных электронов данного атома и по одному валентному электрону от четырех соседних. На рис. 5 представлена плоскостная схема образования общих электронных оболочек. Связь между атомами изображена черточками каждая из которых обозначает связь, осуществляемую одним электроном.

Если некоторые атомы в кристаллической решетке германия будут заменены примесными атомами с пятью валентными электродами например мышьяком, то при образовании общих электронных оболочек один из электронов в примесном атоме оказывается лишним он открывается и делается свободным.

Полупроводник приобретает электронную проводимость. Наоборот, если некоторые из атомов германия будут замешены примесными атомами с тремя валентными элементами, например индия, то при образовании общих оболочек одна из них будет неполной, в нее могут переходить электроны из соседних атомов, у которых, таким образом, образуются дырки и полупроводник приобретает дырочную про водимость.

Образованная таким образом проводимость называется примесной проводимостью полупроводника и обычно превышает собственную его проводимость в сотни и даже тысячи раз.

Статья на тему Полупроводники

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник