Донорни примеси - Наръчник на химика 21
Химия и химична технология
Донорни примеси
В идеален полупроводников кристал (при липса на примеси) нивото на Ферми се намира приблизително в средата между валентната и проводящата зона (ниво e,, на фиг. 112, а). В присъствието на донорен примес (с допълнителни електрони), нивото на Ферми в-[c.454]
Фосфорът, арсенът или антимонът (с електронната структура на външното енергийно ниво s p3 и проявяващи валентност 5), въведени в кристалните решетки на германий или калай (електронната структура на външното ниво 5 p валентност 4), се държат като донорни примеси, т.е. даряват електрони и създават n-тип проводимост. Ако обаче бор, алуминий, галий или индий се въведе в германий или силиций (електронната структура на външното ниво е 5 p, валентност 3), тогава примесните атоми улавят четвъртия електрон и полупроводникът проявява p-тип проводимост.[c.186]
Известно е, че отрицателните (N"), неутралните (N) и положителните центрове (m]") дупки са в равновесие и частта от всяка форма се определя от нивото на Ферми. Нивото на Ферми се увеличава в присъствието на донорни примеси и намалява в присъствието на акцепторни примеси. Има доказателства, че сулфидните катализатори, по-специално WSj, са n-полупроводници, в които има излишък от нестехиометрична сяра, акцепторен примес.Напълно възможно е сярата да играе подобна роля в други сулфидни катализатори.[c.127]
Броят и естеството на носителите m(xa) в полупроводниците в по-голяма степен зависят от тяхната чистота и естеството на примесите. Примесите обикновено се разделят на донорни и акцепторни, т.е. на донорни и акумулиращи електрони. Донорните примеси увеличават броя на електроните, а акцепторните примеси увеличават броя на дупките. Този ефект на примесите може да бъдеОбяснете с примера на германий, който има четири валентни електрона. Ако атом на германий в неговата решетка бъде заменен с петвалентен атом на арсен, тогава един електрон ще бъде излишен. За участието му в проводимостта е необходимо енергийното ниво на примесния атом да се намира в забранената зона в близост до зоната на проводимост (непосредствено в долния й край). Тогава всеки примесен атом ще бъде йонизиран и електроните ще преминат в зоната на проводимост. Броят на отрицателните носители на ток в полупроводник с донорен примес е по-голям от броя на положителните носители; въпреки това уравнението (5.45) остава валидно, точно както йонният продукт на водата не се променя, когато се добави алкал. Да приемем, че един атом от донорния примес съответства на 10 атома от полупроводника. Като се има предвид, че всички примесни атоми (iap imep, арсен) са напълно йонизирани, откриваме, че в 1 cm германий има 4,5-10 at -[c.138]
Например цинков оксид. Ако има излишък от цинк в цинковия оксид (цинкът е донорен примес, донор на електрони), тогава при нагряване може да възникне йонизация на цинкови атоми чрез отделяне на електрони[c.146]
Ролята на активни центрове играят електроните в зоната на проводимост. В съответствие с опита, реакцията се ускорява в присъствието на електронодонорни примеси в полупроводника.[c.457]
Добавките (примесите) могат да бъдат подразделени на донори на електрони и акцептори на електрони. Пример за донорен примес са атомите на арсен, въведени в германий. Те захранват зоната на проводимост с подвижни електрони, при прилагане на външно електрическо поле изпълняват функцията на токоносители, електропроводимостта им е електронна (отрицателна), полупроводникът е от n-тип. Забранената лента поради въвеждането на донорно примес рязконамалява.[c.140]
От общата формула (VIII.88) не е трудно да се получат изрази за енергията на Ферми и концентрацията на електроните на проводимостта в случай на полупроводник от /r-тип с донорен примес.[c.201]
Въвеждането на примесни фосфорни атоми, всеки от които има пет валентни електрона, в кристалния силиций също нарушава енергийната еднородност на кристала. При тези условия всеки фосфорен атом, вече с енергия от порядъка на 4,4 kJ / mol, е в състояние да йонизира, прехвърляйки един от своите електрони в проводящата лента и се превръща в положително зареден йон. Примесните атоми на арсен, антимон и злато, обикновено наричани донорни примеси, се държат по подобен начин в кристалите на силиций и германий. За да се получи полупроводник с определена концентрация на носители (електрони или дупки), е необходимо броят на собствените носители на ток в кристала да бъде приблизително два порядъка по-малък.[c.89]
От горното следва, че акцепторните примеси трябва да бъдат атомите на елементите от първите три групи на периодичната таблица. Енергията на активиране на акцепторните примеси е от същия порядък като тази на донорните примеси, т.е. 0,01-0,1 eV. Съответно енергийното ниво на акцепторите е в забранената зона на много малко разстояние от валентната лента (фиг. 29b).[c.128]
В реалните полупроводници много често собствената проводимост е съизмерима с примеса. Има полупроводници, които едновременно съдържат акцепторни и донорни примеси. Такъв общ случай е разгледан по-долу. Проблемът е да се намери енергията на Ферми (химичния потенциал на електроните), както и концентрацията на проводящи електрони и дупки за полупроводник при дадени условия.[c.195]
Дайте примери за полупроводници сдефекти, причинени от наличието на донорни примеси. Обяснете механизма на влияние на примесите върху електрическата проводимост.[c.381]
Енергийно ролята на донорния примес може да се представи по такъв начин, че поради него ширината на забранената зона рязко намалява (тъй като в този случай не се изисква разкъсване на ковалентната връзка).[c.457]
От голямо значение е химичното съединение на силиция и въглерода - Si (карборунд). Забранена лента 2,86 eV. Следователно този полупроводник може да се използва при високи температури от 500-700°C и неговите свойства се подобряват. Има уникална комбинация от механични, термични и химични свойства. С въвеждането на примеси от елементи от група V (P, As, Sb, Bi) той проявява електронна проводимост, а примесите от елементи от групи II и III (Mg, Ca, -B, A1, Ga, Jn) придават дупкова проводимост на карборунд. Донорните примеси придават зеленикав цвят на полупроводника, докато акцепторните примеси придават синьо-черен цвят.[c.458]
Наред с присъщите полупроводници широко разпространение са получили и полупроводниците от примесен тип. В тях основният брой носители на ток - електрони или дупки - се доставят от специални примеси, въведени в собствения им полупроводник, енергийните нива на които са разположени между валентните ленти и проводимите ленти на полупроводника. Така че, когато в германиев кристал се въвеждат така наречените донорни примеси, като например фосфор, арсен, антимон, електроните на последния преминават в зоната на проводимост на полупроводника, рязко увеличавайки броя на електроните в него - носители на ток (n-проводимост). Когато към германия се добавят акцепторни примеси като бор, алуминий и индий, електроните от валентната лента на полупроводника преминават към свободните нива на примесната лента, което увеличава броя на дупките (p-проводимост) във валентната лента.[c.77]
От горното става ясно, че петвалентните или шествалентните елементи трябва да се използват като донорни примеси в кристалите на силиций и германий. Обикновено ролята на тези примеси се играе от атоми на антимон, арсен или фосфор. Енергиите на активиране за тях варират от 0,01 до 0,1 eV.[c.126]
Заместителните примесни атоми в германиеви и силициеви кристали действат като донорни примеси, ако имат повече от четири валентни електрона, и като акцепторни примеси, ако има по-малко от четири валентни електрона в атомите на заместващи примеси. Например, цинковите атоми, заместващи силициевите атоми в решетката, действат като двойни акцептори.[c.241]
Нека въведем няколко определения. Проводимостта на химически чистите полупроводници се нарича собствена проводимост, а самите полупроводници - собствени полупроводници. Както видяхме, за тях n = p = n,-. Проводимостта на полупроводници, съдържащи примеси, се нарича индиректна. Ако концентрацията на свободни електрони в полупроводник, създадена от донорни примеси, преобладава над концентрацията на дупки, т.е. n> gt; p, тогава той се нарича електронен полупроводник или полупроводник от n-тип; ако p p (предимство на приемника), тогава полупроводникът ще бъде от тип p. В n-тип полупроводник свободните електрони се наричат мажоритарни носители, а дупките се наричат малцинствени носители в p-тип полупроводник - обратно.[c.245]
Решавайки уравнение (438) по същия начин, както в случая на донорен примес, получаваме[c.248]
Xa чувствителността зависи основно от вида и концентрацията на примесните атоми в полупроводника, а в случай на тяхната непълна йонизация зависи и от температурата. Ако концентрацията, например, на донорен примес не е много висока, тогава при u H 1 йонизационната енергия намалява с фактор e. СтойностиДиелектричните проницаемости за силиция и германия са съответно 11 и 16. От това следва, че йонизационната енергия на донорните примеси в кристалите на тези елементи трябва да бъде в диапазона от -ev = 0,06 до -ev = 0,45. От другата[c.126]
Тъй като Aido,,, е много по-малко от A d, концентрацията на свободни електрони в полупроводник с донорен примес може да бъде много по-висока, отколкото в собствения му полупроводник. Ако това условие е изпълнено, можем да приемем, че концентрациите[c.127]
От табл. 1 следва, че електроотрицателността на атомите на 5-7-валеитовите елементи като правило е по-голяма от тази на атомите от първите групи на периодичната таблица. Следователно интерстициалните примеси, образувани от поливалентни атоми, обикновено са акцептори. Напротив, интерстициалните примеси, които възникват поради въвеждането на атоми на 1-3-валентни елементи в кристала, в повечето случаи са донорни примеси. От тези съображения следва, че атомите на един и същи елемент могат да бъдат както акцепторни, така и донорни примеси. Например, кислородните атоми, които са заменили силициевите атоми в кристала, действат като донори, а кислородните атоми, които са влезли в силициевата кристална решетка, действат като акцептори. Трябва също да се отбележи, че ролята на донори или акцептори може да се изпълнява от всякакви нарушения на[c.129]
По този начин, от гледна точка на въздействието върху работната функция на PE, киселините и окислителите, разтворени във вода, са подобни на акцепторните примеси в полупроводниците, докато основите и редуциращите агенти действат като донорни примеси. В този случай разтвор на неутрални соли се оказва подобен на компенсиран полупроводник. Имайте предвид обаче, че такава аналогия е валидна само когато се сравняват термодинамичните свойства на полупроводниците и водните разтвори. Влиянието на примесите върху електропроводимосттатези вещества са напълно различни. Наистина, за разлика от полупроводниците, всички йонизирани примеси във водни разтвори са носители на заряд. Следователно концентрацията на носители с противоположен знак в такива разтвори е една и съща и като правило се увеличава с въвеждането на някой от йонизиращите се примеси. Така че, ако специфичната проводимост на компенсиран полупроводник не може да бъде по-голяма от неговата собствена, тогава специфичната проводимост на разтвор на KC1 или друг[c.189]
Единичните кристали могат да бъдат получени чрез кристализация от силициево-въглеродна стопилка с голям излишък от силиций, в която Si се разтваря добре при 1700-1800 ° C, докато разтворимостта му рязко пада при охлаждане на стопилката. Кристализиран в графитни тигли, покрити с карборунд. Химически чистият Si е безцветен, докато индустриалният Si с примеси от желязо, алуминий, магнезий има зелен или синьо-черен цвят. Донорни примеси - желязо, бисмут, антимон, арсен, фосфор, акцепторни - метали от втора и трета група. Кристалите 0-Si имат структура от тип сфалерит, докато кристалите a-Si имат хексагонална и ромбоедрична решетка. Кислородът на въздуха при 800°C бавно окислява Si. Водните пари при 1300-1400°C го разлагат[c.292]
Вижте страници, където се споменава терминътДонорни примеси :[c.142] [c.147] [c.149] [c.7] [c.7] [c.134] [c.161] [c.314] [c.88] [c.163] [c.246] [c.249] [c.240] [c.306] Хим. istry (1 986) -- [ c.432 ]
Обща химия том 2 (2000) -- [c.109]
Кратък курс по физическа химия том 3 (1963) -- [c.138]