Электроны и дырки в полупроводниках: собственный/примесный кремний, доноры и акцепторы, действующ...

Электроны и дырки – это подвижные заряженные частицы в полупроводниках, которые определяют работу таких электрических компонентов, как МОП-транзисторы, диоды, переключатели и конденсаторы. Подвижные электроны проводимости свободно перемещаются по кристаллу кремния. Дырки – это пустоты в электронных оболочках атомов, которые ведут себя как подвижные положительно заряженные частицы.

Атом кремния имеет 4 электрона на внешней оболочке. В кристалле кремния каждый атом связан с 4 другими атомами и делит с ними свои внешние электроны. Благодаря общим электронам каждый атом ведет себя так, как будто на его внешней оболочке находится 8 электронов, что является очень стабильной конфигурацией.

Однако при комнатной температуре электрон иногда обладает достаточной тепловой энергией, чтобы вырваться и затем свободно перемещаться по кристаллу. Это называется подвижным электроном или электроном проводимости. Остающееся пустое пространство называется дыркой, что приводит к появлению суммарного положительного заряда. Положительный заряд притягивает соседние электроны, которые могут легко перемещаться внутри оболочки атома. Таким образом, дырка может перемещаться от атома к атому.

Подвижные электроны и дырки могут свободно перемещаться в кремнии хаотично. При встрече электрон попадает в дырку, и обе частицы прекращают своё существование. Это называется рекомбинацией. Подвижные электроны и дырки постоянно создаются тепловой энергией и уничтожаются в результате рекомбинации.

Атом донора, например, фосфора или мышьяка, имеет на внешней оболочке не 4, а 5 электронов. Помещенный в кристалл кремния, атом легко освобождает подвижный электрон и приобретает положительный заряд.

Атом донора в кремнии похож на атом натрия. Атом натрия имеет один электрон на внешней оболочке. Он легко отдаёт этот электрон, оставляя новую стабильную внешнюю оболочку из 8 электронов и приобретая положительный заряд.

Кремний с небольшой примесью мышьяка называется кремнием n-типа, поскольку этот материал содержит отрицательно заряженные подвижные частицы, способные проводить электрический ток. Положительно заряженные атомы донора не могут двигаться и проводить ток.

Аналогичным образом, атом-акцептор, такой как бор, имеет не 4, а 3 электрона на своей внешней оболочке. Помещенный в кристалл кремния, атом легко принимает электрон от соседнего атома кремния, создавая дырку, и атом бора приобретает отрицательный заряд.

Атом-акцептор в кремнии подобен атому хлора. Атом хлора имеет 7 электронов на своей внешней оболочке. Он легко притягивает электрон, создавая устойчивую внешнюю оболочку из 8 электронов и приобретая отрицательный заряд.

Кремний с небольшой примесью бора называется кремнием p-типа, поскольку этот материал содержит положительно заряженные подвижные частицы, способные проводить электрический ток. Отрицательно заряженные атомы бора не могут перемещаться и проводить ток.

Куб чистого кристаллического кремния со стороной 1 см содержит 5 x 10^22 атомов. При комнатной температуре куб содержит 10^10 электронов и 10^10 дырок. Оба типа частиц могут проводить электрический ток. Сопротивление между двумя противоположными гранями куба составляет 5000 Ом.

Примечание: Сопротивление кремниевого кубика с ребром 1 см между двумя противоположными гранями (в омах) эквивалентно значению удельного сопротивления материала (в омах).

Кремний, легированный бором до концентрации 10^14 атомов на кубический см, обеспечивает 10^14 дырок на кубический см. Такое обилие носителей заряда приводит к более низкому сопротивлению – 130 Ом.

Кремний, легированный мышьяком до концентрации 10^14 атомов, обеспечивает 10^14 свободных электронов. Поскольку электроны перемещаются через кремний легче, чем дырки, сопротивление несколько ниже, чем у бора – 40 Ом.

Когда концентрация легирующей примеси превышает 10^19, материал настолько хорошо проводит ток, что его называют вырожденным металлом. В интегральных схемах сильно легированный вырожденный кремний используется для изготовления МОП-транзисторов и коротких электрических соединений.

В следующем видео описывается аналогия между легированием кремния и химией pH:    • Semiconductor doping, donor/acceptor elect...  

Для создания подвижных носителей заряда электроны должны обладать достаточной тепловой энергией при текущей температуре, чтобы вырваться из ковалентной связи между соседними атомами кремния. Зонная модель объясняет количество электронов и дырок в собственном кремнии и объясняет, почему доноры и акцепторы полностью ионизированы при комнатной температуре.

Зонная модель (зона проводимости, валентная зона, уровень Ферми) представлена ​​на сайте https://www.chu.berkeley.edu/wp-conte...

P-N-переходы — диффузия/дрейф электронов/дырок, профили основных/неосновных носителей заряда, экспоненциальное уравнение диода:    • Semiconductor P-N junction, electron/hole ...  

Плейлист «Полноценный полупроводниковый прибор»:    • Semiconductor physics, p-n junction diodes...  

Кремниевая элементарная ячейка, индексы Милле...