9.7: Semiconductors na Doping

Last updated
Save as PDF

Page ID: 175267

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Eleza mabadiliko kwenye muundo wa nishati ya semiconductor kutokana na doping
Tofautisha kati ya semiconductor ya aina n na p-
Eleza athari ya Hall na kuelezea umuhimu wake
Tumia malipo, kasi ya drift, na wiani wa idadi ya carrier wa malipo ya semiconductor kutumia habari kutoka kwa majaribio ya athari ya Hall

Katika sehemu iliyotangulia, tulizingatia tu mchango wa sasa wa umeme kutokana na elektroni zinazohusika na majimbo katika bendi ya uendeshaji. Hata hivyo, kusonga elektroni kutoka bendi ya valence hadi bendi ya upitishaji huacha hali isiyo na kazi au shimo katika muundo wa nishati wa bendi ya valence, ambayo elektroni iliyo karibu inaweza kuingia ndani. Kama mashimo haya yanajazwa na elektroni nyingine, mashimo mapya yanatengenezwa. Sasa ya umeme inayohusishwa na kujaza hii inaweza kutazamwa kama mwendo wa pamoja wa elektroni nyingi za kushtakiwa vibaya au mwendo wa mashimo ya elektroni yenye chaji chanya.

Ili kuonyesha, fikiria kimiani moja-dimensional katika Kielelezo \(\PageIndex{1}\). Fikiria kwamba kila atomi ya bandia huchangia elektroni moja ya valence kwa sasa. Kama shimo upande wa kulia limejaa, shimo hili linakwenda upande wa kushoto. Ya sasa inaweza kutafsiriwa kama mtiririko wa malipo mazuri kwa upande wa kushoto. Uzito wa mashimo, au idadi ya mashimo kwa kiasi cha kitengo, inawakilishwa na p. Kila elektroni inayobadilika katika bendi ya upitishaji huacha nyuma ya shimo. Ikiwa bendi ya uendeshaji ni ya awali tupu, wiani wa elektroni wa conduction p ni sawa na wiani wa shimo, yaani,\(n = p\).

Kielelezo kinaonyesha jozi nne za safu. Kila jozi ina mstari wa juu wa ishara ndogo na mstari wa chini wa miduara na ishara zaidi ndani yao. mshale kinachoitwa mtiririko wa pointi chanya malipo kushoto. Katika mstari wa pili wa ishara ndogo, ishara ya mwisho ya mwisho haipo. Nafasi tupu imeandikwa shimo la elektroni. Katika mstari wa tatu wa ishara ndogo, ishara ya pili ya mwisho ya mwisho haipo. Mshale unaonyeshwa kutoka hapa hadi ishara ya mwisho ya mwisho. Hii ni lebo elektroni inajaza shimo. Vile vile, katika mstari wa nne wa ishara ndogo, ya tatu kutoka ishara ya mwisho ya mwisho haipo. Mshale unaonyeshwa kutoka hapa hadi pili hadi mwisho wa ishara. Hii pia kinachoitwa elektroni hujaza shimo. — Kielelezo\(\PageIndex{1}\): mwendo wa mashimo katika kimiani kioo. Kama elektroni zinageuka upande wa kulia, shimo la elektroni linakwenda upande wa kushoto.

Kama ilivyoelezwa, semiconductor ni nyenzo yenye bendi ya valence iliyojaa, bendi ya uendeshaji isiyojazwa, na pengo ndogo la nishati kati ya bendi. Electroni za ziada au mashimo yanaweza kuletwa ndani ya nyenzo kwa uingizwaji ndani ya safu ya kioo ya atomi ya uchafu, ambayo ni atomi ya idadi tofauti ya valence. Utaratibu huu unajulikana kama doping. Kwa mfano, tuseme tunaongeza atomi ya arsenic kwa kioo cha silicon (Kielelezo\(\PageIndex{2a}\)).

Kielelezo a inaonyesha gridi ya taifa na duru alama atomi silicon katika kila makutano. Kwenye makutano moja, ni mduara wa rangi tofauti unaoitwa atomi ya arsenic. Mduara mdogo unaonyeshwa kati ya atomi za silicon. Hii inaitwa elektroni ya ziada kutoka atomi ya arsenic. Kielelezo b inaonyesha gridi ya taifa na duru alama atomi silicon katika kila makutano. Juu ya makutano moja, ni tofauti rangi mduara kinachoitwa alumini atomi. Mduara mdogo unaonyeshwa kati ya atomi za silicon. Hii ni labeled shimo. — Kielelezo\(\PageIndex{2}\): (a) uchafu wa wafadhili na (b) uchafu wa kukubali. Kuanzishwa kwa uchafu na kukubali katika semiconductor kwa kiasi kikubwa hubadilisha mali za elektroniki za nyenzo hii.

Arsenic ina elektroni tano za valence, ambapo silicon ina nne tu. Kwa hiyo elektroni hii ya ziada lazima iingie kwenye bendi ya uendeshaji, kwani hakuna nafasi katika bendi ya valence. Ioni ya arsenic iliyoachwa nyuma ina malipo mazuri ambayo hufunga dhaifu elektroni iliyosafishwa. Kufungwa ni dhaifu kwa sababu safu ya atomiki inayozunguka inalenga uwanja wa umeme wa ion. Matokeo yake, nishati ya kisheria ya elektroni ya ziada ni kuhusu 0.02 eV tu. Kwa maneno mengine, kiwango cha nishati ya elektroni ya uchafu iko katika pengo la bendi chini ya bendi ya uendeshaji na 0.02 eV, thamani ndogo sana kuliko nishati ya pengo, 1.14 eV. Kwa joto la kawaida, elektroni hii ya uchafu inafurahi kwa urahisi katika bendi ya uendeshaji na kwa hiyo inachangia conductivity (Kielelezo \(\PageIndex{3a}\)). Uchafu na elektroni ya ziada hujulikana kama uchafu wa wafadhili, na semiconductor ya doped inaitwa semiconductor ya n -aina kwa sababu flygbolag ya msingi ya malipo (elektroni) ni hasi.

Kielelezo a inaonyesha mstatili kivuli chini kinachoitwa valance band na mstari juu kinachoitwa upitishaji band. Kugawanyika ni kinachoitwa E subscript g.Kuna elektroni juu ya bendi ya uendeshaji na mstari mfupi ni chini yake. Kielelezo b ni sawa lakini ikiwa na elektroni nyingi juu ya bendi ya upitishaji na mistari mingi mifupi chini ya bendi inayounda mstari wa dotted. Mstari wa dotted ni kinachoitwa uchafu bendi. — Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Electron ziada kutoka uchafu wafadhili ni msisimko katika bendi conduction; (b) malezi ya bendi uchafu katika n-aina semiconductor.

Kwa kuongeza uchafu zaidi wafadhili, tunaweza kuunda uchafu bendi, mpya ya nishati bendi iliyoundwa na doping semiconductor, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{3b}\). Ngazi ya Fermi sasa iko kati ya bendi hii na bendi ya upitishaji. Kwenye joto la kawaida, elektroni nyingi za uchafu hupendezwa kwa joto katika bendi ya uendeshaji na kuchangia kwenye conductivity. Upitishaji unaweza pia kutokea katika bendi ya uchafu kama nafasi za kazi zinaundwa huko. Kumbuka kuwa mabadiliko katika nishati ya elektroni yanahusiana na mabadiliko katika mwendo (kasi au nishati ya kinetic) ya flygbolag hizi za malipo na semiconductor, lakini si mwendo wa wingi wa semiconductor yenyewe.

Doping pia inaweza kukamilika kwa kutumia atomi uchafu kwamba kawaida kuwa moja wachache valence elektroni ya atomi semiconductor. Kwa mfano, Al, ambayo ina elektroni tatu za valence, inaweza kubadilishwa kwa Si, kama inavyoonekana kwenye Kielelezo \(\PageIndex{2b}\). Uchafu huo unajulikana kama uchafu wa kukubali, na semiconductor ya doped inaitwa semiconductor ya aina ya p, kwa sababu flygbolag ya msingi ya malipo (mashimo) ni chanya. Ikiwa shimo inatibiwa kama chembe nzuri iliyofungwa kwa tovuti ya uchafu, basi hali ya elektroni tupu imeundwa katika pengo la bendi tu juu ya bendi ya valence. Wakati hali hii imejazwa na elektroni yenye msisimko kutoka kwa bendi ya valence (Kielelezo \(\PageIndex{1a}\)), shimo la simu linaundwa katika bendi ya valence. Kwa kuongeza uchafu zaidi wa kukubali, tunaweza kuunda bendi ya uchafu, kama inavyoonekana kwenye Kielelezo\(\PageIndex{1b}\).

Umeme wa sasa wa semiconductor doped inaweza kuwa kutokana na mwendo wa carrier wengi, ambapo mashimo huchangiwa na atomi uchafu, au kutokana na carrier wachache, ambapo mashimo huchangiwa rena na uchochezi mafuta ya elektroni katika nishati pengo. Katika semiconductor ya aina ya n, flygbolag wengi ni elektroni za bure zilizochangiwa na atomi za uchafu, na wachache wa flygbolag ni elektroni za bure zinazozalishwa na uchochezi wa mafuta kutoka kwa valence hadi bendi ya uendeshaji. Katika semiconductor ya aina ya p, flygbolag wengi ni mashimo ya bure yaliyochangiwa na atomi za uchafu, na wachache wa flygbolag ni mashimo ya bure yaliyoachwa na kujaza majimbo kutokana na uchochezi wa joto wa elektroni kote pengo. Kwa ujumla, idadi ya flygbolag wengi huzidi zaidi ya flygbolag wachache. Dhana ya flygbolag wengi na wachache itatumika katika sehemu inayofuata ili kuelezea uendeshaji wa diodes na transistors.

ukumbi athari

Katika kusoma p - na n -type doping, ni kawaida kuuliza: Je, “mashimo ya elektroni” hufanya kama chembe? Kuwepo kwa mashimo katika semiconductor ya aina ya doped inaonyeshwa na athari ya Hall. Athari ya Hall ni uzalishaji wa tofauti tofauti kutokana na mwendo wa conductor kupitia shamba la nje la magnetic. Mchoro wa athari ya Hall unaonyeshwa kwenye Kielelezo \(\PageIndex{5a}\).

Kielelezo a inaonyesha sahani ya urefu L, upana W na unene t. chanzo voltage VX ni kushikamana katika urefu wake. Ya sasa katika kitanzi, mimi ni katika mwelekeo wa saa. Chanzo cha voltage VH kinaunganishwa katika upana wa sahani. Ya sasa katika kitanzi, BZ, ni kinyume na saa. mshale kwenye sahani ni kinachoitwa E. pointi haki. Kielelezo b ni sawa na takwimu a, isipokuwa kwamba polarities ya VX na VH ni kuachwa na maelekezo ya I, BZ na E pia kuachwa. — Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Athari ya Hall. (a) Mashimo ya elektroni yenye kushtakiwa vyema yanavutwa upande wa kushoto na shamba sare la magnetic linaloelekeza chini. Shamba la umeme linazalishwa kwa haki. (b) Elektroni za kushtakiwa hasi hutolewa upande wa kushoto na shamba la magnetic linaloelekeza. Shamba la umeme linazalishwa upande wa kushoto.

Mchoro wa semiconductor hupasuka katika shamba la sare la magnetic (ambalo linaweka kwenye karatasi). Kama mashimo ya elektroni yanayotoka kushoto kwenda kulia kwa njia ya semiconductor, nguvu ya Lorentz inaendesha mashtaka haya kuelekea mwisho wa juu wa mstari. (Kumbuka kwamba mwendo wa flygbolag kushtakiwa vyema ni kuamua na utawala wa mkono wa kulia.) Chanya malipo inaendelea kukusanya juu ya makali ya juu ya strip mpaka nguvu kuhusishwa na shamba kushuka umeme kati ya juu na chini edges ya strip (\(F_E = E_q\)) tu mizani zaidi magnetic nguvu (\ (F_B = QvB\)). Kuweka majeshi haya sawa na kila mmoja, tuna\ (E = vB\). Voltage ambayo yanaendelea katika mstari ni hivyo

\[V_H = vBw, \nonumber \]

wapi\(V_H\) Hall voltage;\(v\) ni shimo ya drift kasi, au kasi ya wastani wa chembe kwamba hatua katika mtindo sehemu random; B ni magnetic shamba nguvu; na w ni upana wa strip. Kumbuka kuwa voltage ya Hall inabadilika kwa voltage ambayo awali inazalisha sasa kupitia nyenzo. Kipimo cha ishara ya voltage hii (au tofauti tofauti) inathibitisha ukusanyaji wa mashimo upande wa juu wa mstari. Ukubwa wa voltage ya Hall hutoa kasi ya drift (v) ya flygbolag wengi.

Maelezo ya ziada yanaweza pia kuondolewa kwenye voltage ya Hall. Kumbuka kuwa wiani wa sasa wa elektroni (kiasi cha sasa kwa kila kitengo cha msalaba wa sehemu ya mstari wa semiconductor) ni

\[j = nqv, \label{eq3} \]

ambapo q ni ukubwa wa malipo, n ni idadi ya flygbolag za malipo kwa kiasi cha kitengo, na v ni kasi ya drift. Uzito wa sasa unatambuliwa kwa urahisi kwa kugawa jumla ya sasa na eneo la msalaba wa mstari, q ni malipo ya shimo (ukubwa wa malipo ya elektroni moja), na u imedhamiriwa na Equation\ ref {eq3}. Kwa hiyo, kujieleza hapo juu kwa wiani wa sasa wa elektroni hutoa idadi ya flygbolag za malipo kwa kiasi cha kitengo, n. Uchunguzi sawa unaweza kufanywa kwa flygbolag za kushtakiwa vibaya katika vifaa vya n -aina (angalia Mchoro\(\PageIndex{5}\)).