Что такое дырка в полупроводнике: Электроны и «дырки»

Электроны и «дырки»

Добавлено 6 февраля 2016 в 17:10

Сохранить или поделиться

Чистые полупроводники являются относительно хорошими диэлектриками по сравнению с металлами, хотя и не настолько хорошими, как настоящий диэлектрик, например, стекло. Чтобы быть полезным в полупроводниковых применениях, собственный полупроводник (чистый нелегированный полупроводник) должен иметь не более одного атома примеси на 10 миллиардов атомов полупроводника. Это аналогично крупинке соли в железнодорожном вагоне сахара. Нечистые, или грязные полупроводники являются значительно более проводящими, хотя и такими хорошими, как металлы. Почему так происходит? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны рассмотреть электронную структуру этих материалов на рисунке ниже.

Рисунок ниже (a) показывает 4 электрона в валентной оболочке полупроводника, образующих ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это плоская, более простая для рисования, версия рисунка, приведенного ранее. Все электроны атома связаны в четырех ковалентных связях, в парах общих электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Таким образом, собственные, чистые, полупроводники являются относительно хорошими диэлектриками по сравнению с металлами.

(a) Собственный полупроводник является диэлектриком, имеющим полную электронную оболочку.

(b) Тем не менее, тепловая энергия может создать несколько пар электрон-дырка, что в результате даст слабую проводимость.

Тепловая энергия иногда может освобождать электрон из кристаллической решетки, как показано на рисунке выше (b). Этому электрону становится доступно передвижение по кристаллической решетке. Когда электрон освобождается, он оставляет в кристаллической решетке пустое место с положительным зарядом, известное как дырка. Эта дырка не прикреплена к решетке и может свободно по ней перемещаться. Свободные электрон и дырка вносят свой вклад в движение электронов по кристаллической решетке. То есть, электрон свободен, пока он не попадает в дырку. Это явление называется рекомбинацией. При воздействии на полупроводник внешним электрическим полем электроны и дырки разводятся в противоположных направлениях. Увеличение температуры увеличит и количество электронов и дырок, что в свою очередь уменьшит сопротивление. Это противоположно поведению металлов, у которых сопротивление увеличивается с ростом температуры за счет увеличения столкновений электронов с кристаллической решеткой. Количество электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаково. Тем не менее, оба носителя при воздействии внешнего поля необязательно будут двигаться с одинаковой скоростью. Другими словами, подвижность у электронов и дырок неодинакова.

Чистые полупроводники, сами по себе, не особенно полезны. Хотя полупроводники и должны быть в большой степени очищены от примесей для создания отправной точки перед добавлением определенных примесей.

В материал полупроводника, с долей содержания примесей 1 к 10 миллиардам, для увеличения количества носителей могут добавляться определенные примеси в соотношении примерно 1 часть на 10 миллионов. Добавление в полупроводник необходимой примеси известно, как легирование. Легирование увеличивает проводимость полупроводника, и, таким образом, он становится более сопоставим с металлом, а не с диэлектриком.

Можно увеличить количество отрицательно заряженных носителей в кристаллической решетке полупроводника путем легирования таким электронным донором, как фосфор. Электронные доноры, также известные, как примеси N-типа, включают в себя элементы группы VA (группы 15 по IUPAC) периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и сурьма. Азот и фосфор являются примесью N-типа для алмаза. Фосфор, мышьяк и сурьма используются совместно с кремнием.

Кристаллическая решетка на рисунке ниже (b) содержит атомы, содержащие четыре электрона во внешней оболочке, формирующих ковалентные связи с соседними атомами. Эта кристаллическая решетка ожидаема. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешней оболочке вводит в решетку дополнительный электрон по сравнению с атомом кремния. Пятивалентная примесь образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с помощью четырех из пяти электронов, встраиваясь в решетку с одним электроном в запасе. Обратите внимание, что этот лишний электрон не сильно привязан к решетке, как электроны обычных атомов Si. Будучи не привязанным к узлу фосфора в кристаллической решетке, он свободен для перемещения по ней. Так как мы легировали одну часть фосфора на 10 миллионов атомов кремния, то по сравнению с многочисленными атомами кремния было создано лишь несколько свободных электронов. Тем не менее, по сравнению с немногочисленными парами электрон-дырка в собственном полупроводнике, в этом случае было создано достаточно много электронов.

(a) Конфигурация электронов внешней оболочки донора N-типа фосфора, кремния (для сравнения) и акцептора P-типа бора.

(b) Примесь донора N-типа создает свободный электрон.

(c) Примесь акцептора P-типа создает дырку, положительно заряженный носитель.

Кроме того, можно вводить примеси, у которых, по сравнению с кремнием, не хватает электрона, то есть, которые имеют три электрона в валентной оболочке, по сравнению с кремнием с четырьмя валентными электронами. На рисунке выше (c) они оставляют пустое место, известное как дырка, положительно заряженный носитель. Атом бора пытается связаться с четырьмя атомами кремния, но в валентной зоне имеет только три электрона. В попытке сформировать четыре ковалентные связи три его электрона двигаются вокруг, пытаясь образовать четыре связи. Это заставляет двигаться появляющуюся дырку. Кроме того, трехвалентный атом может занимать электрон от соседнего (или более отдаленного) атома кремния, чтобы сформировать четыре ковалентные связи. Однако это оставляет атом кремния с нехваткой одного электрона. Другими словами, дырка перемещается к соседнему (или более отдаленному) атому кремния. Дырки располагаются в валентной зоне, уровнем ниже зоны проводимости. Легирование электронным акцептором, атомом, который может принять электрон, создает дефицит электронов и избыток дырок. Так как дырки являются носителями положительного заряда, примесь электронного акцептора также известна, как примесь P-типа. Легирующая примесь P-типа оставляет полупроводник с избытком дырок, носителей положительного заряда. Элементы P-типа из группы IIIA (группы 13 по IUPAC) периодической таблицы включают в себя: бор, алюминий, галлий и индий. Бор используется в качестве легирующей примеси P-типа для полупроводников кремний и алмаз, в то время как индий используется с германием.

Подобно «шарику в трубе» передвижение электронов (рисунок ниже) зависит от движения дырок и движения электронов. Шарик представляет собой электроны в проводнике, в трубе. Движение электронов слева направо в проводнике или полупроводнике N-типа объясняется входом электрона в трубу слева, заставляя выйти электрон справа. Передвижение электронов в полупроводнике N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением дырок в валентной зоне.

Аналогия с шариком в трубе:

(a) Электроны двигаются вправо в зоне проводимости.

(b) Дырки двигаются вправо в валентной зоне, в то время как электроны двигаются влево.

Чтобы дырка вошла в левой части рисунка выше (b), электрон должен быть удален. При перемещении дырки слева направо электрон должен двигаться справа налево. Первый электрон выбрасывается из левого конца трубы, чтобы дырка могла двигаться вправо в трубу. Электрон двигается в направлении, противоположном движению положительных дырок. Чтобы дырка двигалась дальше вправо, электроны должны перемещаться влево, заполняя дырку. Дырка – это отсутствие электрона в валентной зоне за счет легирования P-типа. Она имеет локальный положительный заряд. Чтобы переместить дырку в заданном направлении, валентные электроны двигаются в противоположном направлении.

Поток электронов в полупроводнике N-типа аналогичен движению электронов в металлическом проводе. Атомы примеси N-типа дадут электроны, доступные для передвижения. Эти электроны из-за легирующей примеси известны, как основные носители, так как они находятся в большинстве, по сравнению с немногочисленными тепловыми дырками. Если к пластине полупроводника N-типа приложить электрическое поле (рисунок ниже (a)), электроны перейдут в отрицательный (левый) конец пластины, пройдут кристаллическую решетку и выйдут справа к клемме (+) батареи.

(a) Полупроводник N-типа с электронами, перемещающимися через кристаллическую решетку слева направо.

(b) Полупроводник P-типа с дырками, перемещающимися слева направо, что соответствует движению электронов в противоположном направлении.

Объяснить протекание тока в полупроводнике P-типа немного сложнее. Примесь P-типа, акцептор электронов, придает локальным областям положительный заряд, известный как дырки. Эти дырки и являются основными носителями в полупроводнике P-типа. Хотя дырки и образуются в местах трехвалентных атомов примеси, они могут перемещаться по пластине полупроводника. Обратите внимание, что включение батареи на рисунке выше (b) противоположно включению на рисунке (a). Положительный вывод батареи подключен к левому концу пластины P-типа. Поток электронов выходит из отрицательного вывода батареи и через пластину P-типа возвращается к положительному выводу батареи. Электрон покидает положительный (левый) конец пластины полупроводника, чтобы положительный вывод батареи оставил дырку в полупроводнике, которая может двигаться вправо. Дырки проходят через кристаллическую решетку слева направо. В отрицательном конце пластины электрон из батареи соединяется с дыркой, нейтрализуя её. Это дает возможность другой дырке в положительном конце пластины двигаться вправо. Имейте в виду, что когда дырки перемещаются слева направо, это на самом деле электроны двигаются в противоположном направлении, что и делает видимым движение дырок.

Элементы, используемые для производства полупроводников, приведены на рисунке ниже. Полупроводниковый материал германий из группы IVA (14 по IUPAC) сейчас используется довольно ограничено. Полупроводники на основе кремния составляют около 90% всего промышленного производства полупроводников. Полупроводники на основе алмаза сейчас широко исследуются и обладают значительным потенциалом. Составные полупроводники включают в себя кремний-германий (тонкие слои на пластинах Si), карбид кремния и соединения групп III-V, например, арсенид галлия. Полупроводниковые соединения групп III-VI включают в себя AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al_xGa_1-xAs и In_xGa_1-xAs. Столбцы II и VI периодической таблицы, не показанные на рисунке, также формируют составные полупроводники.

Группа IIIA – примеси P-типа, группа IV – основные полупроводниковые материалы, и группа VA – примеси N-типа.

Основной причиной включения групп IIIA и VA на рисунок выше является возможность показать примеси, используемые с группой полупроводников IVA. Элементы группы IIIA являются акцепторами, примесями P-типа, которые принимают электроны, оставляя дырки (положительные носители) в кристаллической решетке. Бор является примесью P-типа для алмаза и самой распространенной примесью для кремниевых полупроводников. Индий является примесью P-типа для германия.

Элементы группы VA являются донорами, примесями N-типа, дающими свободный электрон. Азот и фосфор подходят в качестве примеси N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее используемыми примесями N-типа для кремния, хотя может использоваться и сурьма.

Итоги

Собственные полупроводники, максимальная доля примеси в которых составляет 1 на 10 миллиардов, являются плохими проводниками.

Полупроводник N-типа легируется пятивалентной примесью, чтобы создать свободные электроны. Такой материал является проводящим. Электрон в нем является основным носителем.

Полупроводник P-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет множество свободных дырок. Это носители положительного заряда. Материал P-типа является проводящим. Дырки в нем являются основными носителями.

Большинство полупроводников основаны на элементах из группы IVA периодической таблицы. Причем кремний является наиболее распространенным, германий устарел, а углерод (алмаз) в настоящее время исследуется.

Широко используются и составные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).

Оригинал статьи:

Теги

ОбучениеЭлектронЭлектроника

Сохранить или поделиться

Электроны и «дырки» — твердотельная теория устройств

Электроны и «дыры»

Глава 2 — Теория твердотельных устройств

Чистые полупроводники — относительно хорошие изоляторы по сравнению с металлами, хотя и не так хороши, как настоящий изолятор, например, стекло. Чтобы быть полезным в полупроводниковых приложениях, собственный полупроводник (чистый нелегированный полупроводник) должен иметь не более одного примесного атома в 10 млрд. Полупроводниковых атомов. Это аналогично зерну солевых примесей в железнодорожном вагоне сахара. Нечистые или грязные полупроводники значительно более проводящие, хотя и не так хорошо, как металлы. Почему это может быть «# 03403.png»> ниже.

Рисунок ниже (а) показывает четыре электрона в валентной оболочке полупроводника, образующего ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это сплющенная, более простая в использовании версия Figureabove. Все электроны атома связаны четырьмя ковалентными связями, парами общих электронов. Электроны не могут свободно перемещаться вокруг кристаллической решетки. Таким образом, собственные, чистые полупроводники являются относительно хорошими изоляторами по сравнению с металлами.

(a) Внутренний полупроводник представляет собой изолятор, имеющий полную электронную оболочку. (б) Однако тепловая энергия может создавать несколько пар электронных дырок, приводящих к слабой проводимости.

Тепловая энергия может иногда освобождать электрон от кристаллической решетки, как показано на рисунке (б). Этот электрон свободен для проводимости вокруг кристаллической решетки. Когда электрон был освобожден, он оставил пустое пятно с положительным зарядом в кристаллической решетке, известной как дырка . Это отверстие не прикреплено к решетке; но, свободно двигаться. Свободный электрон и дырка вносят вклад в проводимость вокруг кристаллической решетки. То есть электрон свободен, пока он не попадет в дыру. Это называется рекомбинацией . Если к полупроводнику приложено внешнее электрическое поле, электроны и дырки будут вестись в противоположных направлениях. Повышение температуры приведет к увеличению числа электронов и дырок, уменьшая сопротивление. Это противоположно металлам, где сопротивление возрастает с температурой за счет увеличения столкновений электронов с кристаллической решеткой. Число электронов и дырок в собственном полупроводнике равно. Однако обе несущие не обязательно движутся с одинаковой скоростью с применением внешнего поля. Другой способ заявить, что подвижность не то же самое для электронов и дырок.

Чистые полупроводники сами по себе не особенно полезны. Хотя, полупроводники должны быть очищены до высокой степени чистоты в качестве отправной точки перед добавлением конкретных примесей.

Полупроводниковый материал, чистый до 1 части в 10 миллиардов, может иметь удельные примеси, добавленные приблизительно на 1 часть на 10 миллионов, чтобы увеличить количество носителей. Добавление желаемой примеси к полупроводнику известно как легирование . Допинг увеличивает проводимость полупроводника, так что он более сопоставим с металлом, чем изолятор.

Можно увеличить число отрицательных носителей заряда в полупроводниковой кристаллической решетке путем легирования электронным донором, таким как Phosphorus. Электронные доноры, также известные как примеси N-типа, включают элементы из группы VA периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и сурьму. Азот и фосфор — примеси N-типа для алмаза. Фосфор, мышьяк и сурьма используются с кремнием.

Кристаллическая решетка на рис. Ниже (b) содержит атомы с четырьмя электронами во внешней оболочке, образуя четыре ковалентные связи с соседними атомами. Это ожидаемая кристаллическая решетка. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешней оболочке вводит дополнительный электрон в решетку по сравнению с атомом кремния. Пентавалентная примесь образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с четырьмя из пяти электронов, укладываясь в решетку с оставленным электроном. Заметим, что этот запасной электрон не сильно связан с решеткой, так как электроны нормальных атомов Si. Он свободно перемещается вокруг кристаллической решетки, не привязавшись к узлу решетки фосфора. Поскольку мы примем на одну часть фосфора в 10 миллионов атомов кремния, было создано мало свободных электронов по сравнению с многочисленными атомами кремния. Однако было создано много электронов по сравнению с меньшим числом электронно-дырочных пар в собственном кремнии. Применение внешнего электрического поля приводит к сильной проводимости в легированном полупроводнике в зоне проводимости (над валентной зоной). Более тяжелый уровень легирования дает более сильную проводимость. Таким образом, плохо проводящий собственный полупроводник был преобразован в хороший электрический проводник.

(a) Конфигурация электрона внешней оболочки донорного фосфора N-типа, кремния (для справки) и акцепторного типа P-типа. (б) Донорная примесь N-типа создает свободный электрон (c) Примесь-акцептор P-типа создает отверстие, положительный носитель заряда.

Также возможно ввести примесь, не имеющую электрона по сравнению с кремнием, имеющую три электрона в валентной оболочке по сравнению с четырьмя для кремния. В Figabove (c) это оставляет пустое пятно, известное как отверстие, положительный носитель заряда. Атом бора пытается связываться с четырьмя атомами кремния, но имеет только три электрона в валентной зоне. При попытке сформировать четыре ковалентные связи три электрона движутся вокруг, пытаясь сформировать четыре связи. Это заставляет отверстие двигаться. Кроме того, трехвалентный атом может занять электрон от соседнего (или более удаленного) атома кремния с образованием четырех ковалентных связей. Однако это оставляет атом кремния недостаточным одним электроном. Другими словами, отверстие переместилось в соседний (или более отдаленный) атом кремния. Отверстия находятся в валентной зоне, ниже уровня проводимости. При легировании акцептором электронов атом, который может принимать электрон, создает дефицит электронов, как и избыток дырок. Поскольку отверстия являются положительными носителями заряда, легирующая примесь электронов также известна как легирующая примесь типа Р. Присадка P-типа оставляет полупроводник с избытком отверстий, положительных носителей заряда. Элементы Р-типа из группы IIIA периодической таблицы включают: бор, алюминий, галлий и индий. Бор используется в качестве легирующей примеси P-типа для кремниевых и алмазных полупроводников, в то время как индий используется с германием.

«Мрамор в трубке», аналогичный электропроводности в рисунке ниже, относится к движению дырок с движением электронов. Мрамор представляет собой электроны в проводнике, трубе. Движение электронов слева направо, как в проводнике или полупроводнике N-типа, объясняется электроном, входящим в трубку слева, вынуждающим выход электрона справа. Проведение электронов N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением отверстия в валентной зоне.

Мрамор в аналогичной трубке: (а) Электроны движутся прямо в зоне проводимости, когда электроны входят в трубку. (b) Отверстие движется прямо в валентной зоне, когда электроны движутся влево.

Для входа в отверстие слева от рисунка (b) электрон должен быть удален. При перемещении отверстия слева направо электрон должен быть перемещен вправо. Первый электрон выталкивается с левого конца трубки, так что отверстие может перемещаться вправо в трубку. Электрон движется в противоположном направлении положительной дыры. Когда отверстие движется дальше вправо, электроны должны двигаться влево, чтобы разместить отверстие. Отверстие представляет собой отсутствие электрона в валентной зоне из-за легирования P-типа. Он имеет локализованный положительный заряд. Чтобы переместить отверстие в заданном направлении, валентные электроны движутся в противоположном направлении.

Поток электронов в полупроводнике N-типа аналогичен электронам, движущимся в металлической проволоке. Присадочные атомы N-типа будут обеспечивать доступность электронов для проводимости. Эти электроны, благодаря легирующей примеси, известны как основные носители, поскольку они в большинстве своем по сравнению с очень небольшими термальными дырами. Если электрическое поле применяется через полупроводниковый стержень N-типа на рисунке ниже (a), электроны входят в отрицательный (левый) конец стержня, проходят через кристаллическую решетку и выходят справа на клемму аккумулятора (+).

(a) полупроводник N-типа с электронами, движущимися слева направо через кристаллическую решетку. (б) полупроводник П-типа с дырками, движущимися влево-вправо, что соответствует электронам, движущимся в противоположном направлении.

Поток тока в полупроводнике P-типа немного сложнее объяснить. Присадка P-типа, акцептор электронов, дает локализованные области положительного заряда, известные как дырки. Основным носителем в полупроводнике P-типа является дырка. В то время как дырки образуются на участках трехвалентного легирующего атома, они могут перемещаться вокруг полупроводникового стержня. Обратите внимание, что батарея в Figabove (b) отменена из (a). Положительный вывод аккумулятора подключен к левому концу панели P-типа. Поток электронов выходит за отрицательную клемму аккумулятора через панель P-типа, возвращаясь к положительной клемме аккумулятора. Электрон, выходящий из положительного (левого) конца полупроводникового стержня для положительного вывода батареи, оставляет в полупроводнике отверстие, которое может перемещаться вправо. Отверстия пересекают кристаллическую решетку слева направо. На отрицательном конце стержня электрон от батареи соединяется с отверстием, нейтрализуя его. Это дает место для другого отверстия для перемещения в положительном конце стержня вправо. Имейте в виду, что по мере того как дырки перемещаются влево-вправо, это фактически электроны, движущиеся в противоположном направлении, которые отвечают за движение отверстия аппаранта.

Элементы, используемые для производства полупроводников, суммированы на рисунке ниже. Самый древний материал германия с объемным полупроводниковым материалом группы IVA используется только в ограниченной степени сегодня. На полупроводниковые материалы на основе кремния приходится около 90% коммерческого производства всех полупроводников. Алмазные полупроводники — это научно-исследовательская деятельность со значительным потенциалом в настоящее время. Составные полупроводники, не перечисленные, включают кремниевый германий (тонкие слои на пластинах Si), карбид кремния и соединения III-V, такие как арсенид галлия. Соединительные полупроводники III-VI включают: AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al _x Ga _1-x As и In _x Ga _1-x As. Столбцы II и VI периодической таблицы, не показанные на рисунке, также образуют составные полупроводники.

Присадки группы IIIA P-типа, базовые полупроводниковые материалы группы IV и легирующие добавки группы VA N-типа.

Основная причина включения групп IIIA и VA в Figabove заключается в том, чтобы показать легирующие примеси, используемые с полупроводниками группы IVA. Элементы группы IIIA представляют собой акцепторы, легирующие P-типа, которые принимают электроны, оставляя дырку в кристаллической решетке, положительную носитель. Борон является легирующей примесью P-типа для алмаза и наиболее распространенной легирующей примесью кремниевых полупроводников. Индий является легирующей примесью P-типа для германия.

Элементами группы VA являются доноры, легирующие примеси N-типа, дающие свободный электрон. Азот и фосфор являются подходящими присадками N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее часто используемыми легирующими веществами N-типа для кремния; хотя можно использовать сурьму.

• ОБЗОР:
• Внутренние полупроводниковые материалы, чистые до 1 части в 10 миллиардов, являются плохими проводниками.
• Полупроводник N-типа легирован пентавалентной примесью для создания свободных электронов. Такой материал является проводящим. Электрон является основным носителем.
• Полупроводник P-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет множество свободных дырок. Это положительные носители заряда. Материал P-типа является проводящим. Отверстие является основным носителем.
• Большинство полупроводников основаны на элементах из группы IVA периодической таблицы, причем наиболее распространенным является кремний. Германий почти устарел. В настоящее время разрабатывается углерод (алмаз).
• Широко используются сложные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).

Дырки полупроводники — Справочник химика 21

    Распространено явление катализа на полупроводниках. Участие полупроводников в каталитических процессах Ф. Ф. Волькенштейном объясняется как результат взаимодействия реагирующих веществ с электронами или дырками полупроводника (свободными валентностями твердого тела). Наряду с указанными коллективными свойствами учитываются локальные свойства поверхности, возможность образования лабильных поверхностных структур и их специфическое взаимодействие. [c.185]









    Резюмируем в нескольких фразах содержание теории на данном этапе ее развития. В электронной теории показы-вается, что в образо-ваиии хемосорбционных связей принимают участие свободные злектро-ны и дырки полупроводника (выполняющие функции свободных валентностей), причем от степени их участия в связях зависит, как. показывается, прочность связей, а также реакционная способность хемосорби-ро ванных частиц. Следствием этого, как показывается, является то, что во все формулы электро ной теории попадает уровень Ферми, что в свою очередь имеет ряд следствий, которые и рассматриваются в электронной теории.  [c.77]

    По Ф. Ф. Волькенштейну [8], понятие электронный переход в катализе и хемосорбции — некорректно. Правильнее говорить о той плп иной степени затягивания электрона иди дырки полупроводника на адсорбированную частицу (см. 1). [c.7]

    Механизм хемосорбции и катализа на полупроводниках сильно напоминает механизм этих явлений на металлах свободные электроны или дырки полупроводника прини мают участие в образовании хемосорбционных связей. [c.128]

    В общем же в многофазных системах пока трудно определить связь электронных свойств с каталитической активностью. Тем не менее общим для всех работ в этом направлении является вывод о том, что каталитический акт на полупроводнике обусловлен переходом электронов от реагента к катализатору или обратно и, следовательно, как это вытекает из электронной теории Ф. Ф. Волькенштейна [9], активными центрами в этом случае являются блуждающие электроны проводимости или дырки полупроводника.  [c.92]

    Итак, в электронной теории Волькенштейна показано, что в образовании хемосорбционных связей принимают участие свободные электроны и дырки полупроводника, выполняющие функции свободных валентностей, причем от степени их участия в этих связях зависит прочность связей и реакционная способность хемосорбированных частиц. Следствием этого является то, что во все формулы электронной теории входит уровень Ферми. [c.128]

    Электронная теория катализа на полупроводниках, основанная на зонной теории твердого тела, рассматривает в основном коллективные взаимодействия. Каталитическая реакция трактуется как результат взаимодействия реагирующих веществ с электронами и дырками полупроводника, концентрация которых определяет наблюдаемую скорость процесса и зависит от коллективных свойств кристалла. Все химические свойства реагирующего вещества при этом сводятся к потенциалу ионизации или сродству к электрону, а химические особенности катализатора — к положению уровня Ферми. Применительно к такому сложному химическому явлению, как катализ, такой подход односторонен и наряду с коллективными необходимо учитывать локальные взаимодействия. [c.168]

    Большинство неметаллических катализаторов обладает полупроводниковыми свойствами, поэтому заманчиво использовать это их свойство в качестве ключа к раскрытию природы активности. Такая возможность связана со способностью полупроводника обмениваться зарядом с адсорбированной частицей, принимая или отдавая электрон. Согласно существующей теории, центром хемосорбции (активным центром) является свободный электрон (или дырка ) полупроводника. Адсорбированные атомы или молекулы рассматриваются как примеси, нарушающие строго периодическую структуру решетки. В энергетическом спектре кристалла они могут быть изображены локальными уровнями, расположенными в запрещенной зоне полупроводника (см. гл. V). Разные частицы занимают различные уровни в запрещенной зоне. Если реагирующая частица занимает уровень, расположенный ближе к зоне проводимости, т. е. уровень адсорбированной частицы находится выше уровня Ферми на поверхности, то все хемосорбционные частицы являются донорами электронов. Если же уровень адсорбированной частицы ниже уровня Ферми, она является акцептором электронов. Таким образом, адсорбционная способность и каталитическая активность поверхности полупроводника определяются взаимным расположением локального уровня адсорбированрой частицы и по,ложением уровня Ферми на поверхности. Реакция называется акцепторной, если скорость 472 [c.472]

    Возможны три вида связи хемосорб11рованной частицы (атома, молекулы) с поверхностью твердого тела 1) слабая связь, 2) прочная акцепторная связь и 3) прочная донорная связь. В первом случае электрон хемосорбпрованной частицы затягивается на катион решетки или же электрон аниона решетки затягивается на хемосорбированную частицу. Последняя остается электрически нейтральной. Во втором случае электрон адсорбированной на катионе частицы взаимодействует со свободным электроном полупроводника, осуществляя таким образом химическую связь с решеткой. В третьем случае атом или молекула адсорбируется на анионе решетки и вступает во взаимодействие со свободной дыркой полупроводника. [c.8]

    В р-полупроводниках отклонение от стехиометрического состава вызывается отсутствием определенного числа ионов металла в кристаллической решетке окалины (вакансии катионов — квадраты на рис. 1П-3, а). Для сохранения электронейтральности кристаллов окалины нехватка положительных зарядов компенсируется соответствующим числом катионов повышенной валентности (например, Си в случае полупроводника СйаО), называемых электронными дырками. Полупроводниками такого типа являются также окислы N 0, РеО, СоО, В120з, СГ2О3. [c.65]

    Полупроводники, в которых подвижны электроны, называют полупроводниками л-типа (от negativ — отрицательно), а те, в которых подвижны положительные дырки, — полупроводниками р-типа (от poii/iu — положительно). [c.18]

Дырки проводимости — Справочник химика 21

    Изложенная теория дает объяснение зависимости каталитических свойств как от ширины запрещенной зоны, так и от содержания модифицирующих примесей в кристалле, даже в том случае, если электроны и дырки проводимости не участвуют в образовании связи молекул и атомов с адсорбентом.  [c.43]

    В случае полупроводников (оксиды, сульфиды никеля, молибдена, вольфрама и некоторых других переходных металлов) свободные валентности (свободные электроны и электронные дырки) появляются вследствие неполной координированности атомов поверхности кристаллической решетки и в результате различных дефектов кристалла полупроводника. Например, узел кристалла, в котором отсутствует катион, ведет себя как отрицательный заряд, отталкивая электроны в ближайших узлах. В результате эти электроны могут быть вытеснены из валентной зоны в зону проводимости. Появление электронов (или дырок) в зоне проводимости может быть вызвано также присутствием в кристалле различных примесей, обладающих электро-нодонорными (или электроноакцепторными) свойствами, а также нарушениями стехиометрического состава. На поверхности кристалла электроны (или дырки) проводимости будут играть роль свободной валентности или активных центров. [c.313]

    Одной из первых отраслей промышленности, потребовавшей столь чистых веществ, была промышленность полупроводниковых материалов. Наиболее часто используемые в этой области германий и крем ний в совершенно чистом состоянии, по-видимому, могут быть отнесены к изоляторам — они не проводят тока. Проводимость появляется лишь в присутствии примесей элементов соседних групп периодической таблицы (третьей и пятой) порядка одного атома на миллиард атомов кремния или германия. Пот явление чужих атомов приводите резкому изменению проводимости и многих других свойств. В полупроводнике появляются узлы с избыточным подвижным электроном (—) и узлы с недостающим электроном (+), так называемые дырки. Проводимость реализуется за счет перемещения электронов и дырок при наложении внешнего электрического поля. [c.14]

    При наложении электрического поля электроны, перешедшие в зону проводимости, перемещаются к аноду, В валентной же зоне электрон, находящийся рядом с дыркой, перемещается на это свободное М1 сто, и освобождается новая дырка, на которую перемещается следующий электрон, оставляющий после себя дырку, и т. д. (рис, 76), [c.117]

    Подобный дрейф электронов эквивалентен перемещению дырок в противоположном направлении, т. е. к катоду. Таким образом, перенос электричества в полупроводниках осуществляется как электронами, перешедшими в зону проводимости, так и дырками в валентной зоне, т. е. имеет место электронная (л-типа) и дырочная (р-типа ) проводимость. [c.118]

    В случае полупроводников свободные валентности (свободные электроны и электронные дырки) появляются вследств 1е неполной координированности атомов кристаллической решетки. Обычно зто связано с различными дефектами кристалла полупроводника. Например, узел кристалла, в котором отсутствует катион, ведет себя как отрицательный заряд, отталкивая электроны в ближайших узлах. В результате эти электроны могут быть вытеснены из валентной зоны в зону проводимости. [c.241]

    Если в кристалле имеются донорные или акцепторные примеси (иапример, изоморфно замещающие ионы в узлах кристаллической решетки), то в объеме и на поверхности полупроводника появляются избыточные электроны в зоне проводимости или избыточные дырки в валентной зоне и соответствующие локальные уровни энергии внутри запрещенной зоны. В зонной теории относительное количество электронов и дырок в полупроводнике характеризуется так называемым уровнем энергии Ферми (или просто уровнем Ферми), который имеет смысл химического потенциала электрона в полупроводнике. [c.454]

    Потери одного электрона отрицательным ионом 7 » приводит к образованию свободной дырки, т. е. превращает в нейтральный атом Я. Свободные дырки обеспечивают дырочную проводимость кристалла. Дырка трактуется кгк свободная отрицательная валентность. [c.161]

    Полупроводники. Как мы видели, в полупроводниках для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется сравнительно небольшая энергия. При этом в результате поглощения кванта энергии (нагревание или освещение) связь, обусловливаемая парой электронов, разрывается один из электронов переходит в зону проводимости, и в данном энергетическом состоянии валентной зоны вместо двух электронов остается один, т. е. образуется вакансия — так называемая положительно заряженная дырка  [c.150]

    В результате перехода электронов в зону проводимости в валентной зоне образуются положительные дырки ( дефекты электронов ), которые также могут изменять энергетический уровень и обеспечивать перенос электрического заряда. [c.142]

    Существуют также ионные кристаллы, у которых электронная разупорядоченность не сопряжена с ионной. Типичный представитель таких кристаллов — СиО, дающий кристаллы стехиометрического состава без заметного избытка металла или кислорода. Электронная разупорядоченность СиО обусловлена тем, что электрон из электронной оболочки двухвалентного иона меди, находящегося в узле решетки, покидает свое место и двигается в решетке как свободный электрон. В месте отрыва электрона остается положительная дырка, т. е. соблюдается равенство концентраций электронов проводимости и дырок. Но в противоположность ионным дефектам, представляющим собой локализованные нарушения, электронные дефекты обладают энергетическими уровнями, размазанными по всему кристаллу.  [c.173]

    Различают две основные группы проводников электрического тока проводники первого рода, электрическая проводимость которых обусловлена электронами, и проводники второго рода, обладающие ионной проводимостью. В особую группу входят полупроводники, прохождение тока через которые обеспечивают, с одной стороны, возбужденные электроны, а с другой — так называемые дырки — вакантные места на энергетических уровнях, которые покинуты возбужденными электронами. Главную роль в электрохимии играют ионные проводники — растворы и расплавы электролитов, некоторые вещества в твердом состоянии, ионизированные газы. При протекании постоянного электрического тока через электрохимические системы на электродах возникают электрохимические реакции, которые подчиняются двум законам Фарадея  [c.455]

    Согласно зонной теории полупроводников в полупроводнике имеется два рода носителей тока электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. В чистом (собственном) полупроводнике, например в чистом германии или кремнии, число электронов Па в зоне проводимости равно числу дырок ро в валентной зоне  [c. 139]

    Условие электронейтральности ионного кристалла при образовании катионной или анионной вакансии может быть удовлетворено также при одновременном удалении или введении электронов. При этом возникают тела с электронной проводимостью, вызванной квазисвободными электронами и положительными дырками. [c.96]

    В изоляторах, как мы видели, нижняя зона целиком заполнена, а следующая отделена запрещенной зоной. Если ширина запрещенной зоны Q лежит в пределах 5—10 эВ, то вещество является при всех реальных температурах хорошим изолятором. Однако у некоторых тел, например германия и кремния, ширина запрещенной зоны около I эВ. В этом случае уже при комнатной температуре часть электронов может перейти из нижней заполненной зоны в верхнюю свободную. При этом в верхней зоне возникает электронная проводимость. В нижней зоне появятся дырки , перемещение которых также может осуществить ток. [c.516]

    Здесь L — частица решетки до генерации электрона проводимости п , и дырки проводимости р+ d — доиорный центр до генерации п , а d+ он же после генерации. Следует учитывать и обратные процессы  [c.16]

    Наиболее часто используемьш полупроводникам (германию или кремнию), которые кристаллизуются по типу алмаза, сопутствуют в качестве примесей элементы третьей или пятой групп периодической системы. Наличие в кристаллической структуре четырехвалентного элемента (Ое, 31) трехвалентных атомов (А1, 1п, Оа или В) приводит к вырыванию части электронов и нарушению ковалентных связей, соединяющих атомы четырехвалентного элемента (рис. 5.10,а). Эти электроны дополняют недостающий четвертый электрон трехвалентной примеси, так как координационное число всех атомов в кристаллических структурах кремния или германия равно 4. Трехвалентные примеси называются акцепторами — они принимают электроны, образуя дырки проводимости . Кроме дырок проводимости существует небольшое скопление свободных электронов, образованных тепловыми колебаниями атомов структуры. Дырки и свободные электроны движутся под действием [c.192]

    Если в собственно полупроводник ввести акцепторную примесь, например в германий ввести атом галлия, у которого лищь три валентных электрона, то к нему от германия перейдет один из электронов, и в валентной зоне появится дырка. Условием такого перехода является близость энергетического уровня примеси, располагающегося в запрещенной для германия зоне, к верхнему уровню валентной зоны германия. Концентрация дырок в этом случае становится преобладающей, и собственно полупроводник превращается в примесный полупроводиик р-тла, или в р-полупроводник. Для полупроводников с примесной проводимостью пфрфп[ и вместо (5.46) следует писать [c.139]

    СЯ для образования ковалентных связей в кристаллической структуре кремния, у фосфора остается еще один электрон. При наложении на кристалл электрического поля этот электрон может смещаться в сторону от атома фосфора поэтому говорят, что фосфор является донором электронов в кристалле кремния. Для высвобождения донируемых электронов требуется лищь 1,05 кДж моль эта энергия превращает кристалл кремния с небольшой примесью фосфора в проводник. При введении в кристалл кремния примеси бора возникает противоположное явление. Атому бора недостает одного электрона для построения необходимого числа ковалентных связей в кристалле кремния. Поэтому на каждый атом бора в кристалле кремния приходится одна вакансия на связывающей орбитали. На эти вакантные орбитали, связанные с атомами бора, могут быть возбуждены валентные электроны кремния, что дает возможность электронам свободно перемещаться по кристаллу. Подобная проводимость осуществляется в результате того, что на вакантную орбиталь атома бора перескакивает электрон соседнего атома кремния. Вновь образовавшаяся вакансия на орбитали атома кремния тут же заполняется электроном со следующего за ним другого атома кремния. Возникает каскадный эффект, при котором электроны перескакивают от одного атома к следующему. Физики предпочитают описывать это явление как движение положительно заряженной дырки в противоположном направлении. Но независимо от того, как описывается это явление, твердо установлено, что для активации проводимости такого вещества, как кремний, требуется меньше энергии, если в кристалле содержится небольшое количество донора электронов типа фосфора либо акцептора электронов типа бора.  [c.632]

    Волькенштейн и Киселев подчеркивают, что при рассмотрении системы адсорбент — адсорбат как единой квантовомеханической системы электронный переход означает лишь переход носителя тока (электрона, дырки) из одного энергетического состояния в другое без фиксации геометрии перехода. Однако прп сохранении иона-ми решетки своих индивидуальных свойств и отсутствии зон проводимости такая трактовка уже становится неприемлемой. В этом случае переход электронов от молекулы органического соединения к твердому катализатору может привести к обычной реакции, восстановления катиона переменной валентности, входяш его в состав катализатора, аналогично тому, как это происходит в гомогенном ката 1изе [c.28]

    Горизонтальные отрезки на схеме изображают поверхность катализатора. Электрон может перемещаться по катионной подрешетке (электронная проводимость) дырка — по апиониой подрешетке (дырочная проводимость). [c.453]

    Повышенная электрическая проводимость органических полупроводников объясняется высокой подвижностью я-электро-нов сопряженных двойных связей. Это обусловливает эстафетную электронно-дырочную проводимость при состоянии, когда электроны находятся в них на более высоких энергетических уровнях. В результате взаимодействия с поверхностью, ограничивающей объем, электрон молвозникает вакансия— дырка. Эффективная масса электронов и дырок много меньше массы молекулы, так что у соседней молекулы, которая не успевает заметно сместиться, один из электронов. может перескочить в образовавшуюся дырку. Одновременно мигрируют как положительные, так и отрицательные заряды. Электрическая проводимость по эстафетному механизму возникает за счет электронных донорно-акцеиторных взаимодействий между молекулами и на границе масляной фазы с поверхностью металла. В отличие от ионной или форетической проводимости при эстафетной электрической проводимости не происходит переноса вещества, а значит, последняя не долл[c.61]

    При наложении электрического поля электроны, перешедщие в зону проводимости, перемещаются к аноду. В валентной же зоне электрон, находящийся рядом с дыркой, перемещается на это свободное место и освобождается новая дырка, на которую перемещается следующий электрон, оставляющий после себя дырку, и т. д. Подобный дрейф электронов эквивалентен перемещению дырок в противоположном направлении, т. е. к катоду. Таким образом, перенос электричества в полупроводниках (рис. 68) осуществляется как электронами, перешедшими в зону проводимости, так и дырками в валентной зоне, т. е. имеет место электронная (л-типа) и дырочная (/7-типа) проводимость (п-тип от латинского negative — отрицательный, а р-тип от positive — положительный). [c.108]

    Магниторезисторы. Магниторезистивный эффект заключается в следующем. При отсутствии магнитного поля дырка движется в пoлy-проводяике в направлении электрического поля и за время свободного пробега между столкновениями проходит путь, равный длине свободного пробега 1. В поперечном магнитном поле в неограниченном поперечном направлении полупроводника по направлению электрического поля дырка пройдет путь = Ь соз . Уменьшение длины свободного пробега вдоль направления электрического поля эквивалентно уменьшению подвижности, а, в конечном счете, и проводимости [48].  [c.120]

    В полупроводниках с ковалентной химической связью появление электрона в зоне проводимости одновременно создает его вакансию в валентной зоне. Данная вакансия на конкретной молекулярной орбитали может заполняться электронами других занятых близлежащих МО. Такой переход электронов внутри валентной зоны как бы создает движение вакансии с одной МО на другую МО. Такие вакансии называются дырками. Поэтому электрический ток в полупроводнике определяется движением электронов в зоне проводимости и движением электронов в валентной зоне. В первом случае электроны переходят на незанятые МО, во втором — на частично занятые МО. В силу того, что энергии МО в зоне проводимости и валентной зоне отличаются, то и подвижности электронов в этих зонах также отличаются. Движение электронов в валентной зоне часто описывают как движение дырок, но в противоположном направлении. В электрическом поле такие дырки ведут себя как положительные электрические заряды. Проводимость полупроводника определяется как сумма его электронной и. дырочной проводимости. Это значит, что перенос тока в полупроводниках может осуществляться как электронами зоны проводимости (п-проводимость, от латинского negative — отрицательный), так и дырками валентной зоны (р-проводи.мость, от латинского positive — положительный). [c.636]

    Часто катализаторы являются полупроводниками. Между каталитической активностью и проводимостью катализатора обычно имеется связь. Чаще всего с ростом одной из этих величин растет и другая. Во многих случаях промоторы увеличивают проводимость. Установление нестехиометрического состава в твердых соединениях приводит к полупроводниковой проводимости и часто увеличивает каталитическую активность. Электроны проводимости и дырки (см. гл. XXII) на поверхности твердого тела могут в известном смысле рассматриваться как особые, обладающие химической активностью центры, способные образовать связь с адсорбированным атомом. [c.412]

    Вместе с тем адсорбированный атом может вызвать образование электронов проводимости. Пусть, например, атом натрия адсорбируется на поверхности хлористого натрия вблизи иона хлора. Для увеличения связи этот атом может отдать свой электрон одному из положительных ионов решетки. В результате в решетке возникнут нестехиомегричность и электронная проводимость. Введение бора в кремний приводит к образованию ненасыщенного атома кремния, так как валентность бора меньше валентности кремния. Свободная валентность соседнего с бором ненасыщенного атома кремния может захватывать электрон от других атомов кремния. В результате происходит миграция этой свободной валентности по решетке. Если такая валентность окажется на поверхности твердого тела, то она сможет связать адсорбированный атом или молекулу. Естественно, что вследствие образования такой связи молекула может активироваться. Электроны проводимости и дырки как адсорбционные и каталитические центры отличаются от обычных центров, так как они подвижны и их число зависит от температуры. [c.412]

Ученые впервые сфотографировали электрон внутри экситона | Технологии

МОСКВА, 21 апр. Японские и американские физики использовали передовые технологии, чтобы получить первое в истории изображение электрона внутри экситона — квазичастицы, имеющей важное значение в физике полупроводников. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Экситоны представляют из себя связанное возбужденное состояние отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок в полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда или массы.

Экситоны образуются, когда полупроводники поглощают фотоны света, что заставляет отрицательно заряженные электроны перескакивать с более низкого энергетического уровня на более высокий. Это оставляет положительно заряженные пустые пространства, называемые дырами, на нижнем энергетическом уровне. Противоположно заряженные электроны и дырки притягиваются и начинают вращаться друг вокруг друга, что создает экситоны.

До сих пор ученым удавалось обнаружить и измерить экситоны лишь косвенными способами. Одна из проблем заключается в их хрупкости — требуется относительно небольшая энергия, чтобы разбить экситон на свободные электроны и дырки. Кроме того, они мимолетны по своей природе — в некоторых материалах экситоны гаснут примерно через несколько тысячных или даже миллионных долей секунды после их образования, когда возбужденные электроны «падают» обратно в дырки.

Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) использовали свет крайней ультрафиолетовой части спектра, чтобы разбить экситоны на части и вытолкнуть электроны в вакуум электронного микроскопа. Измеряя угол, под которым электроны вылетают из материала, авторы определили орбиту, по которой электроны и дырки вращаются друг вокруг друга в экситоне.

В квантовом мире электроны действуют как частицы и как волны, поэтому невозможно узнать положение и импульс электрона одновременно. Вместо этого физики оперируют понятием облака вероятности экситона, плотность которого показывает, где электрон с наибольшей вероятностью находится вокруг дыры.

Путем измерения волновой функции авторы получили изображение облака вероятности экситона — по сути первое изображение экситона, показывающее пространственное распределение электрона относительно дырки.

«Экситоны — действительно уникальные и интересные частицы. Они электрически нейтральны. Это означает, что они ведут себя в материалах совершенно иначе, чем другие частицы, такие как электроны. Их присутствие может изменить реакцию материала на свет», — приводятся в пресс-релизе института слова первого автора статьи Майкла Мана (Michael Man), сотрудника отдела фемтосекундной спектроскопии OIST.

«Ученые впервые обнаружили экситоны около 90 лет назад, — продолжает руководитель исследования профессор Кешав Дани (Keshav Dani). — Но до недавнего времени можно было получить доступ только к оптическим сигнатурам экситонов, например, к свету, испускаемому экситоном при гашении. Другие аспекты их природы, такие как импульс и орбита, по которой электрон и дырка вращаются друг вокруг друга, могли быть описаны только теоретически».

В 2020 году ученые из отдела фемтосекундной спектроскопии OIST разработали революционный метод измерения импульса электронов внутри экситонов. Теперь они использовали эту технику, чтобы сделать первое в истории изображение, которое показывает распределение электрона вокруг дырки внутри экситона.

Физика — 11

Однако при этом дырка образуется в соседнем атоме, потерявшем электрон. Таким образом, в чистом полупроводнике свободные электроны и дырки образуются одновременно, и заряды их по модулю равны. Поэтому при создании электрического поля в полупроводнике электрическая проводимость в нем осуществляется одновременным упорядоченным движением и свободных электронов, и дырок в противоположных направлениях. Значит, в полупроводниках электрический ток образуется движением двух видов носителей зарядов, свободных электронов и дырок.

Электропроводность чистых полупроводников (без примесей) называют собственной проводимостью.

Примесная проводимость полупроводников. На электропроводность полупроводников сильное действие оказывает наличие примеси в их составе. Существует два вида примеси: донорная и акцепторная.

Донорной называют примесь, легко отдающую свои электроны в качестве свободных электронов проводимости. Это происходит тогда, когда число валентных электронов добавляемой к чистому полупроводнику примеси оказывается больше числа валентных электронов самого полупроводника. Поэтому в полупроводниках с донорной примесью электроны являются основными, а дырки- неосновными носителями заряда. Полупроводники, основными носителями заряда в котором являются электроны, называются полупроводниками n-типа.

Акцепторной называют примесь, которая может увеличить число дырок в полупроводнике. Это происходит в случае, когда число валентных электронов примеси оказывается меньше числа валентных электронов самого полупроводника. Поэтому в полупроводниках с акцепторной примесью дырки являются основными, а электроны —неосновными носителями заряда. Полупроводники, основными носителями заряда в котором являются дырки, называются полупроводниками р-типа.

Можете ли вы
объяснить механизм
электропроводности
полупроводника?

Задача 2. Проанализируйте
приведенные схемы.

§ 30. Ток в полупроводниках . Понятная физика

Появление дырки вместо электрона связи не остается незамеченным для других атомов. В эту дырку может легко заскочить электрон связи от соседнего атома, так как для этого нужно гораздо меньше энергии, чем для освобождения электрона. Тогда дырка останется в соседнем атоме. В нее может запрыгнуть электрон из следующего атома, при этом дырка образуется в следующем атоме. Создается иллюзия, что в поле отрицательных энергий, ниже запрещенной зоны, перемещаются дырки. Перемещение связанных электронов от узла к узлу кристаллической решетки через дырки в связях называют дырочным током. При определенных условиях дырочный ток даже может иметь преимущество. Таким образом, в полупроводниках существует как электронная, так и дырочная проводимость.

Концентрация свободных электронов в кристалле кремния в миллиард раз меньше, чем в меди. Это очень мало. Чтобы повысить проводимость полупроводника, в него добавляют примеси. Если надо повысить электронную проводимость, добавляют немного пятивалентного мышьяка, если хотят повысить дырочную – добавляют трехвалентный индий. В первом случае пятый валентный электрон мышьяка, не найдя себе ковалентную пару у ближайшего атома кремния, оказывается лишним и почти сразу отрывается от решетки. Даже сотая доля процента примеси мышьяка может увеличить электронную проводимость кристалла кремния в десятки тысяч раз. При добавлении индия его три валентных электрона вступают в ковалентную связь только с тремя внешними электронами атома кремния. Четвертый электрон кремния остается без пары, что означает появление лишней дырки. Таким образом, в зависимости от вида примеси получается полупроводник с избытком электронов (n – типа) или с избытком дырок (p-типа). Вообще говоря, технология полупроводников получила в наши дни такое развитие, что её описание может занять не одну полку книг. Тем не менее, расскажем о главном достижении техники полупроводников, о p—n переходе.

Как говорят электронщики, один p-n переход – это диод, два – транзистор. Иногда можно услышать, что p-n переход можно получить, если создать контакт между полупроводниками с различными типами проводимости. Это не совсем так. До появления нанотехнологий p-n переход изготавливали на чистом кристалле в виде тонкой пластинки (чипа). К одной стороне чипа припаивали шарик индия, к другой – прикрепляли крупинку мышьяка. Затем чип нагревали в духовке. При высокой температуре атомы примесей проникали вглубь кристалла с двух сторон. После расчетного времени чип извлекали. Со стороны мышьяка получался полупроводник n-типа (электронная проводимость), со стороны индия – p-типа (дырочная проводимость). В середине оставался очень тонкий пограничный слой, имевший собственную проводимость. В целом все это называлось p-n переход, важнейшим свойством которого является односторонняя проводимость электрического тока. Для подвода внешнего поля к области n-типа припаивали катод, к области p-типа – анод. Получился электронный прибор, который назвали полупроводниковым диодом.

Если анод диода соединить с положительным полюсом источника поля, а катод – с отрицательным, электроны в n-области начнут отталкиваться от отрицательного полюса и устремятся навстречу положительному полюсу. Они легко преодолеют узкий n-p переход и попадут в p-область, где мало электронов, зато много дырок, обеспечивающих электронам высокую подвижность. Таким образом, для прямого направления поля диод имеет небольшое сопротивление (порядка несколько Ом), и прямой ток получается большим. Но если к диоду приложить обратное внешнее поле, картина меняется. Электроны из n-области отхлынут к положительному полюсу источника поля, а дырки из p-области отойдут к отрицательному полюсу. Ширина пограничного слоя, из которого ушли даже собственные электроны, резко увеличится. Сопротивление диода резко поднимется (до сотен кОм) и обратный ток упадет практически до нуля. Таким образом, p-n переход обладает односторонней проводимостью. Это свойство позволяет использовать его в технике, когда, например, нужно выпрямить переменный ток (о переменном токе немного позже).

Электронная дырка — Energy Education

Рисунок 1. Диаграмма, показывающая кристаллическую решетку и то, как движение электрона из валентной зоны создает дырку. ^[1]

Электронная дырка — это один из двух типов носителей заряда, ответственных за создание электрического тока в полупроводниковых материалах. Дырку можно рассматривать как «противоположность» электрона. В отличие от электрона, имеющего отрицательный заряд, дырки имеют положительный заряд, равный по величине, но противоположный по полярности заряду электрона. ^[2]

Дырки иногда могут сбивать с толку, поскольку они не являются физическими частицами в том смысле, в каком являются электроны, а скорее являются отсутствием электрона в атоме. Дырки могут перемещаться от атома к атому в полупроводниковых материалах по мере того, как электроны покидают свои позиции. ^[2] Может быть полезна аналогия. Представьте себе людей, стоящих в очереди на ступеньках. Если человек в начале очереди поднимается на одну ступеньку, он оставляет дыру. По мере того, как все делают один шаг, доступный шаг (отверстие) перемещается вниз по шагам.

Дырки образуются, когда электроны в атомах выходят из валентной зоны (самая внешняя оболочка атома, полностью заполненная электронами) в зону проводимости (область атома, откуда электроны могут легко улетучиваться), что происходит повсюду в полупроводник.

Для стимулирования образования дырок в полупроводники добавляют определенные элементы. Эти полупроводники, в которых дырки являются наиболее заметными носителями заряда, известны как p-тип. ^[2] Когда элемент, имеющий на один электрон во внешней оболочке меньше, чем у кремния, например бор, добавляется в кристаллическую структуру кремния, он заменяет один из атомов кремния в кристаллической структуре. ^[3] Это видно на рисунке 1. Эти дырки легко принимают свободные электроны и дополняют полупроводники n-типа, поскольку избыточные электроны n-типа могут быть поглощены p-типом. Это свойство является неотъемлемой частью p-n перехода, жизненно важного компонента в работе диода и фотогальванических элементов. Электропроводность резко увеличивается либо с образованием дополнительных электронов, либо с образованием дырок. ^[4]

И электроны, и дырки необходимы для создания тока в полупроводниках.Под действием некоторого внешнего напряжения через полупроводниковый материал могут двигаться как электроны, так и дырки. Этот процесс известен как применение прямого или обратного смещения. ^[4]

Для получения более подробной информации об этой концепции щелкните здесь или здесь.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. соответствующие страницы ниже:

Ссылки

отверстие

От

В физике дырка — это носитель электрического заряда с положительным зарядом, равным по величине, но противоположным по полярности заряду электрона.Дырки и электроны — это два типа носителей заряда, ответственных за ток в полупроводниковых материалах.

Дырка – это отсутствие электрона в определенном месте атома. Хотя это не физическая частица в том же смысле, что и электрон, дырка может переходить от атома к атому в полупроводниковом материале. Электроны вращаются вокруг ядра на определенных энергетических уровнях, называемых полосами или оболочками . Дырка в атоме образуется при переходе электрона из так называемой валентной зоны (оболочка вне замкнутых оболочек, частично или полностью заполненная электронами) в зону проводимости (внешнее «облако», из которого электроны легче всего ускользают от атома или принимаются им).

В любом полупроводниковом веществе присутствуют как электроны, так и дырки. Электроны текут от минуса к плюсу, а дырки «текут» от плюса к минусу. Более распространенные носители заряда называются основными носителями ; менее распространенные называются неосновными носителями . В полупроводниковом материале N-типа электроны являются основными носителями, а дырки — неосновными носителями. В полупроводниковом материале P-типа все наоборот.

При обработке полупроводников количество носителей заряда может быть увеличено с помощью процесса, известного как легирование , который состоит из добавления небольшого количества элементов, называемых примесями .Некоторые примеси при добавлении к полупроводниковому элементу, такому как кремний, увеличивают количество электронов и производят материал N-типа; другие примеси увеличивают количество отверстий и производят материал Р-типа. Материалы как N-типа, так и P-типа важны при производстве твердотельных электронных компонентов.

Последнее обновление было в мае 2008 г.

Электроны и «дырки» | Теория твердотельных устройств

Чистые полупроводники являются относительно хорошими изоляторами по сравнению с металлами, хотя и далеко не такими хорошими изоляторами, как стекло.Чтобы быть полезным в полупроводниковых приложениях, собственный полупроводник (чистый нелегированный полупроводник) должен иметь не более одного примесного атома на 10 миллиардов атомов полупроводника. Это аналогично примеси крупинки соли в железнодорожном вагоне сахара. Нечистые или грязные полупроводники обладают значительно большей проводимостью, хотя и не такой хорошей, как металлы. Почему это может быть? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны взглянуть на электронную структуру таких материалов на рисунке ниже.

Электронная структура

На рисунке ниже (а) показаны четыре электрона на валентной оболочке полупроводника, образующие ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это сплющенная, более легкая для рисования версия рисунка выше. Все электроны атома связаны четырьмя ковалентными связями, парами общих электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Таким образом, собственные чистые полупроводники являются относительно хорошими изоляторами по сравнению с металлами.

(a) Собственный полупроводник — это изолятор, имеющий полную электронную оболочку. (b) Однако тепловая энергия может создать несколько электронно-дырочных пар, что приведет к слабой проводимости.

Тепловая энергия может время от времени высвобождать электрон из кристаллической решетки, как показано на рисунке выше (b). Этот электрон свободен для проводимости по кристаллической решетке. Когда электрон был освобожден, он оставил пустое место с положительным зарядом в кристаллической решетке, известное как дырка . Это отверстие не закреплено на решетке; но свободно передвигаться. Свободный электрон и дырка вносят свой вклад в проводимость вокруг кристаллической решетки. То есть электрон свободен, пока не упадет в дырку.Это называется рекомбинацией . Если к полупроводнику приложить внешнее электрическое поле, электроны и дырки будут проводить в противоположных направлениях. Повышение температуры увеличит количество электронов и дырок, уменьшая сопротивление. Это противоположно металлам, сопротивление которых увеличивается с температурой за счет увеличения числа столкновений электронов с кристаллической решеткой. Количество электронов и дырок в собственном полупроводнике равно. Однако оба носителя не обязательно движутся с одинаковой скоростью при приложении внешнего поля.Другой способ заявить об этом состоит в том, что подвижность не одинакова для электронов и дырок.

Полупроводниковые примеси

Чистые полупроводники сами по себе не очень полезны. Тем не менее, полупроводники должны быть очищены до высокого уровня чистоты в качестве отправной точки перед добавлением определенных примесей.

Полупроводниковый материал с чистотой до 1 части на 10 миллиардов, может иметь определенные примеси, добавленные примерно в количестве 1 часть на 10 миллионов для увеличения количества носителей. Добавление желаемой примеси в полупроводник известно как легирование . Легирование увеличивает проводимость полупроводника, так что он больше сопоставим с металлом, чем с изолятором.

Можно увеличить количество носителей отрицательного заряда в кристаллической решетке полупроводника путем легирования донором электронов , таким как фосфор. Доноры электронов, также известные как примеси N-типа , включают элементы из группы VA периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и сурьму.Азот и фосфор являются добавками N-типа для алмаза. Фосфор, мышьяк и сурьма используются с кремнием.

Кристаллическая решетка на рисунке ниже (б) содержит атомы, имеющие четыре электрона на внешней оболочке, образующие четыре ковалентные связи с соседними атомами. Это ожидаемая кристаллическая решетка. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешней оболочке вводит в решетку дополнительный электрон по сравнению с атомом кремния. Пятивалентная примесь образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с четырьмя из пяти электронов, вписываясь в решетку с одним оставшимся электроном. Обратите внимание, что этот запасной электрон не так сильно связан с решеткой, как электроны нормальных атомов Si. Он свободно перемещается по кристаллической решетке, не привязываясь к узлу решетки фосфора. Поскольку мы легировали одну часть фосфора на 10 миллионов атомов кремния, было создано мало свободных электронов по сравнению с многочисленными атомами кремния. Однако было создано много электронов по сравнению с меньшим количеством электронно-дырочных пар в собственном кремнии. Приложение внешнего электрического поля создает в легированном полупроводнике сильную проводимость в зоне проводимости (над валентной зоной).Чем выше уровень легирования, тем сильнее проводимость. Таким образом, собственный полупроводник с плохой проводимостью превращается в хороший электрический проводник.

(a) Электронная конфигурация внешней оболочки донорного фосфора N-типа, кремния (для справки) и акцепторного бора P-типа. (b) Донорная примесь N-типа создает свободный электрон (c) Акцепторная примесь P-типа создает дырку, носитель положительного заряда.

Можно также ввести примесь, лишенную электрона по сравнению с кремнием, имеющую три электрона на валентной оболочке по сравнению с четырьмя у кремния.На рисунке выше (c) это оставляет пустое место, известное как отверстие , положительный носитель заряда. Атом бора пытается соединиться с четырьмя атомами кремния, но имеет только три электрона в валентной зоне. При попытке образовать четыре ковалентные связи три электрона перемещаются, пытаясь образовать четыре связи. Это заставляет отверстие двигаться. Кроме того, трехвалентный атом может заимствовать электрон у соседнего (или более удаленного) атома кремния для образования четырех ковалентных связей. Однако при этом атому кремния не хватает одного электрона.Другими словами, дырка переместилась к соседнему (или более удаленному) атому кремния. Дырки находятся в валентной зоне, на уровень ниже зоны проводимости. Легирование акцептором электрона , атомом, который может принять электрон, создает дефицит электронов, такой же, как и избыток дырок. Поскольку дырки являются носителями положительного заряда, легирующая примесь-акцептор электронов также известна как примесь P-типа . Примесь Р-типа оставляет полупроводник с избытком дырок, носителей положительного заряда.Элементы P-типа из группы IIIA периодической таблицы включают бор, алюминий, галлий и индий. Бор используется в качестве легирующей примеси P-типа для кремниевых и алмазных полупроводников, а индий используется с германием.

Аналогия «мрамор в трубке» с электронной проводимостью на рисунке ниже связывает движение дырок с движением электронов. Мрамор представляет собой электроны в проводнике, трубке. Движение электронов слева направо, как в проводе или полупроводнике N-типа, объясняется тем, что электрон, входящий в трубку слева, вызывает выход электрона справа.Проводимость электронов N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением дырки в валентной зоне.

Мрамор в аналогии с трубкой: (a) Электроны движутся прямо в зоне проводимости, когда электроны входят в трубку. (б) Дырка движется вправо в валентной зоне, когда электроны движутся влево.

Чтобы дырка попала в левую часть рисунка выше (b), электрон должен быть удален. При перемещении дырки слева направо электрон должен двигаться справа налево.Первый электрон вылетает из левого конца трубки, так что дырка может двигаться вправо в трубку. Электрон движется в направлении, противоположном направлению положительной дырки. По мере того, как дырка движется дальше вправо, электроны должны двигаться влево, чтобы приспособиться к дырке. Дырка при отсутствии электрона в валентной зоне из-за легирования P-типа. Имеет локальный положительный заряд. Чтобы сдвинуть дырку в заданном направлении, валентные электроны движутся в противоположном направлении.

Электронный поток в полупроводнике N-типа подобен электронам, движущимся в металлической проволоке.Атомы примеси N-типа будут давать электроны, доступные для проводимости. Эти электроны из-за легирующей примеси известны как основных носителей , поскольку они составляют большинство по сравнению с очень немногими тепловыми дырками. Если электрическое поле приложено к полупроводниковому стержню N-типа на рисунке ниже (а), электроны входят в отрицательный (левый) конец стержня, пересекают кристаллическую решетку и выходят справа к (+) клемме батареи.

(a) Полупроводник n-типа с электронами, движущимися слева направо через кристаллическую решетку.(b) Полупроводник p-типа с дырками, движущимися слева направо, что соответствует электронам, движущимся в противоположном направлении.

Протекание тока в полупроводнике P-типа объяснить немного сложнее. Примесь P-типа, акцептор электронов, дает локализованные области положительного заряда, известные как дырки. Основным носителем в полупроводнике P-типа является дырка. В то время как дырки образуются в местах расположения атомов трехвалентной примеси, они могут перемещаться по полупроводниковому стержню. Обратите внимание, что батарея на рисунке выше (b) перевернута по сравнению с (a).Положительная клемма аккумулятора подключена к левому концу стержня P-типа. Поток электронов выходит из отрицательной клеммы батареи через стержень P-типа и возвращается к положительной клемме батареи. Электрон, покидающий положительный (левый) конец полупроводникового стержня и направляющийся к положительному выводу батареи, оставляет в полупроводнике отверстие, которое может двигаться вправо. Отверстия пересекают кристаллическую решетку слева направо. На отрицательном конце стержня электрон от батареи соединяется с дыркой, нейтрализуя ее.Это освобождает место для другого отверстия, которое можно сместить на положительном конце стержня вправо. Имейте в виду, что по мере того, как дырки движутся слева направо, на самом деле именно электроны движутся в противоположном направлении и ответственны за кажущееся движение дырок.

Элементы, используемые для производства полупроводников

Элементы, используемые для производства полупроводников, представлены на рисунке ниже. Самый старый объемный полупроводниковый материал группы IVA германий сегодня используется только в ограниченной степени. Полупроводники на основе кремния составляют около 90% промышленного производства всех полупроводников. В настоящее время полупроводники на основе алмазов представляют собой область исследований и разработок со значительным потенциалом. Не перечисленные составные полупроводники включают кремний-германий (тонкие слои на кремниевых пластинах), карбид кремния и соединения III-V, такие как арсенид галлия. Полупроводники соединения III-VI включают AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al _x Ga _1-x As и In _x Ga _{1 -x} Как.Столбцы II и VI периодической таблицы, не показанные на рисунке, также образуют составные полупроводники.

Примеси P-типа группы IIIA, основные полупроводниковые материалы группы IV и примеси N-типа группы VA.

Основной причиной включения групп IIIA и VA на приведенный выше рисунок является демонстрация присадок, используемых с полупроводниками группы IVA. Элементы группы IIIA являются акцепторами, примесями P-типа, которые принимают электроны, покидающие дырку в кристаллической решетке, положительный носитель. Бор является легирующей примесью P-типа для алмаза и наиболее распространенной легирующей примесью для кремниевых полупроводников. Индий является легирующей примесью Р-типа для германия.

Элементы группы

VA являются донорами, примесями N-типа, дающими свободный электрон. Азот и фосфор являются подходящими добавками N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее часто используемыми добавками N-типа для кремния; хотя можно использовать сурьму.

ОБЗОР:

• Собственные полупроводниковые материалы, чистота которых составляет 1 часть на 10 миллиардов, являются плохими проводниками.
• Полупроводник N-типа легирован пятивалентной примесью для создания свободных электронов. Такой материал токопроводящий. Электрон является основным носителем.
• Полупроводник Р-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет обилие свободных дырок. Это носители положительного заряда. Материал P-типа является проводящим. Дыра является основным носителем.
• Большинство полупроводников основано на элементах IVA группы периодической таблицы, наиболее распространенным является кремний. Германий почти устарел.Углерод (алмаз) разрабатывается.
• Широко используются составные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

отверстий | физика твердого тела | Британика

дырка , в физике конденсированных сред название, данное отсутствующему электрону в некоторых твердых телах, особенно в полупроводниках. Отверстия влияют на электрические, оптические и тепловые свойства твердого тела.Наряду с электронами они играют решающую роль в современных цифровых технологиях, когда их внедряют в полупроводники для производства электронных и оптических устройств.

Согласно зонной теории твердых тел, электроны в твердом теле обладают энергией только на определенных дискретных уровнях, которые объединяются в группы или полосы. Валентная зона содержит электроны, которые связаны с атомной структурой материала ( см. валентный электрон), тогда как зона проводимости содержит электроны с более высокими энергиями, которые могут свободно двигаться.

С применением тепловой энергии электрон может быть перемещен из валентной зоны через запрещенную область, называемую запрещенной зоной, в зону проводимости, которая оставляет после себя дырку. Поскольку отсутствующий электрон — это то же самое, что добавленный положительный электрический заряд, дырки могут нести ток — как и электроны, но в противоположном направлении — под действием электрического поля. Однако дырки обычно движутся медленнее, чем электроны, потому что они функционируют в тесно связанной валентной зоне, а не в зоне проводимости.

Обычные температуры недостаточно высоки, чтобы возбудить много электронов в зону проводимости. Более серьезные эффекты могут быть получены с помощью процесса, известного как легирование, при котором к материалу добавляются примеси, известные как легирующие примеси. В кремнии, полупроводнике, используемом в компьютерных чипах, добавление небольшого количества мышьяка увеличивает количество электронов, потому что каждый атом мышьяка содержит на один электрон больше, чем атом кремния, который он заменяет. Такой материал называется типом n из-за избыточного отрицательного заряда. Кремний типа P (для избыточных положительных зарядов) получается, если легирующей примесью является бор, который содержит на один электрон меньше, чем атом кремния. Каждый добавленный атом бора создает дефицит одного электрона, то есть положительную дырку.

Важность наличия материалов типа p , а также материалов типа n заключается в том, что оба они необходимы для изготовления соединений p — n . Такие переходы необходимы для диодов и некоторых типов транзисторов, основных электронных устройств, из которых состоят компьютерные микросхемы и интегральные схемы в целом. P — n соединения также используются для изготовления светоизлучающих диодов (LED), которые представляют собой небольшие оптоэлектронные устройства, преобразующие электрическую энергию в свет.

Сидни Перковиц

электронно-дырочная пара в полупроводниках | Nuclear-power.com

В полупроводнике свободных носителя заряда — это электрона и электрона-дырки (пары электрон-дырка). Электроны и дырки создаются возбуждением электрона из валентной зоны в зону проводимости.Электронная дыра (часто называемая просто дыркой) — это отсутствие электрона в положении, в котором он мог бы существовать в атоме или атомной решетке. Это один из двух типов носителей заряда, ответственных за создание электрического тока в полупроводниковых материалах. Поскольку в нормальном атоме или кристаллической решетке отрицательный заряд электронов уравновешивается положительным зарядом атомных ядер, отсутствие электрона оставляет чистый положительный заряд в месте расположения дырки. Положительно заряженные дырки могут перемещаться от атома к атому в полупроводниковых материалах по мере того, как электроны покидают свои позиции. Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют, и эти свободные носители эффективно исчезают. Рекомбинация означает, что электрон, который был возбужден из валентной зоны в зону проводимости, возвращается в пустое состояние в валентной зоне, известное как дырки.

Проводимость полупроводника может быть смоделирована в рамках зонной теории твердых тел . Зонная модель полупроводника предполагает, что при обычных температурах существует конечная вероятность того, что электроны могут достичь зоны проводимости и внести свой вклад в электрическую проводимость.В полупроводнике свободные носители заряда ( электронно-дырочных пар ) создаются путем возбуждения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Это возбуждение оставило дырку в валентной зоне, которая ведет себя как положительный заряд, и создается электронно-дырочная пара. Дырки иногда могут сбивать с толку, поскольку они не являются физическими частицами, как электроны, а скорее отсутствием электрона в атоме. Дырки могут перемещаться от атома к атому в полупроводниковых материалах по мере того, как электроны покидают свои позиции.

Электронное возбуждение в полупроводниках

Энергия для возбуждения может быть получена различными способами.

Тепловое возбуждение

Электронно-дырочные пары также постоянно генерируются за счет тепловой энергии в отсутствие какого-либо внешнего источника энергии. Тепловое возбуждение не требует никакой другой формы пускового импульса. Это явление имеет место и при комнатной температуре. Это вызвано примесями, неравномерностью решетки структуры или легирующей примесью.Она сильно зависит от щели E (расстояние между валентной зоной и зоной проводимости), так что для меньшей щели E количество термически возбужденных носителей заряда увеличивается. Поскольку тепловое возбуждение приводит к шуму детектора, для некоторых типов полупроводников (например, германия) требуется активное охлаждение. Детекторы на основе кремния имеют достаточно низкий уровень шума даже при комнатной температуре. Это вызвано большой шириной запрещенной зоны кремния (Egap = 1,12 эВ), что позволяет нам работать с детектором при комнатной температуре, но для снижения шума предпочтительнее охлаждение.

Оптическое возбуждение

Обратите внимание, что энергия одного фотона спектра видимого света сравнима с этими запрещенными зонами. Фотоны с длиной волны 700–400 нм имеют энергию 1,77 эВ 3,10 эВ. В результате видимый свет также может возбуждать электроны в зону проводимости. Собственно, это и есть принцип работы фотоэлектрических панелей, генерирующих электрический ток.

Возбуждение ионизирующим излучением

Электроны могут достигать зоны проводимости, когда они возбуждаются ионизирующим излучением (т.е., они должны получить энергию выше Egap). Как правило, тяжелые заряженные частицы переносят энергию в основном за счет:

• Возбуждения. Заряженная частица может передавать энергию атому, поднимая электроны на более высокие энергетические уровни.
• Ионизация. Ионизация может произойти, когда у заряженной частицы достаточно энергии, чтобы удалить электрон. Это приводит к созданию ионных пар в окружающем веществе.

Удобной переменной, описывающей ионизационные свойства окружающей среды, является тормозная способность .Классическое выражение, описывающее удельные потери энергии, известно как формула Бете. Для альфа-частиц и более тяжелых частиц тормозная способность большинства материалов очень высока для тяжелых заряженных частиц, и эти частицы имеют очень короткие пробеги.

В дополнение к этим взаимодействиям бета-частицы также теряют энергию в результате радиационного процесса, известного как тормозное излучение . Согласно классической теории, когда заряженная частица ускоряется или замедляется, она должна излучать энергию , а излучение торможения известно как тормозное излучение («тормозное излучение») .

Фотоны (гамма-лучи и рентгеновские лучи) могут ионизировать атомы напрямую (несмотря на то, что они электрически нейтральны) посредством фотоэлектрического эффекта и эффекта Комптона, но вторичная (косвенная) ионизация гораздо более значительна. Хотя известно большое количество возможных взаимодействий, есть три ключевых механизма взаимодействия с материей.

Во всех случаях частица ионизирующего излучения отдает часть своей энергии на своем пути. Частица, проходящая через детектор, ионизирует атомы полупроводника, создавая электронно-дырочных пары .Например, типичная толщина кремниевого детектора составляет около 300 мкм, поэтому количество электронно-дырочных пар, генерируемых минимальной ионизирующей частицей (MIP), проходящей перпендикулярно через детектор, составляет около 3,2 x 10 ⁴ . Эта величина незначительна по сравнению с общим числом свободных носителей в собственном полупроводнике на поверхности 1 см ² и той же толщины. Обратите внимание, что образец чистого германия при 20°C содержит около 1,26×10 ²¹ атомов, но также содержит 7.5 x 10 ¹¹ свободных электронов и 7,5 x 10 ¹¹ дырок постоянно генерируются тепловой энергией. Как видно, отношение сигнал/шум (S/N) будет минимальным. Добавление 0,001% мышьяка (примесь) дает дополнительные 10 ¹⁵ свободных электронов в том же объеме, а электропроводность увеличивается в 10 000 раз. В легированном материале отношение сигнал/шум (S/N) будет еще меньше. Охлаждение полупроводника — один из способов снизить это отношение.

Улучшение может быть достигнуто за счет подачи напряжения обратного смещения на P-N переход для истощения детектора свободных носителей, что является принципом большинства кремниевых детекторов излучения. В этом случае на p-сторону подается отрицательное напряжение, а на вторую — положительное. Дырки в p-области притягиваются от соединения к p-контакту и аналогично для электронов и n-контакта.

Глава 1 — Электроны и отверстия в полупроводнике — ECE 584 — полупроводник

1

1

Электроны и отверстия

в полупроводниках

Цела Глава

В этой главе

Эта глава обеспечивает основные концепции и терминологию для понимания

полупроводников.Особое значение имеют представления об энергетической зоне, двух типах носителей электрического заряда, называемых электронами и дырками, и о том, как можно контролировать концентрации носителей с помощью добавления легирующих примесей. Другая группа ценных фактов и инструментов — это функция распределения Ферми и концепция уровня Ферми. Концентрации электронов и дырок тесно связаны с уровнем Ферми. Материалы

, представленные в этой главе, будут использоваться неоднократно, поскольку каждая новая тема устройства

представлена ​​в последующих главах.Изучая эту

главу, обратите, пожалуйста, внимание на (1) концепции, (2) терминологию, (3) типичные значения для Si и (4) все уравнения, заключенные в рамки, такие как уравнение (1. 7.1).

Название и многие идеи этой главы взяты из новаторской книги Уильяма Шокли

Электроны и дырки в полупроводниках [1], опубликованной

в 1950 году, через два года после изобретения транзистора. В 1956 году Шокли

разделил Нобелевскую премию по физике за изобретение транзистора с Браттейном

и Бардином (рис.1–1).

Материалы, которые будут представлены в этой и следующей главах, были признаны

полезными и необходимыми для глубокого понимания

большого разнообразия полупроводниковых устройств. Овладение терминами, концепциями и моделями, представленными здесь, подготовит вас к пониманию не только многих полупроводниковых устройств, существующих сегодня, но и многих других, которые будут изобретены в будущем. Это также позволит вам общаться со знанием дела с

другими людьми, работающими в области полупроводниковых устройств.

1.1 КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА КРЕМНИЯ

Кристаллическое твердое тело состоит из атомов, образующих повторяющуюся структуру. Периодическую структуру

можно определить с помощью рентгеновской дифракции и электронной

микроскопии. Большой кубический блок, показанный на рис. 1–2, представляет собой элементарную ячейку кремния

●●

T

Hu_ch01v4.fm Page 1 12 февраля 2009 г. 10:14

Реконструкция блоховских волновых функций дырок в полупроводнике

11.

Damascelli, A., Hussain, Z. & Shen, Z.X. Фотоэмиссионные исследования купратных сверхпроводников с угловым разрешением. Ред. Мод. физ. 75 , 473–541 (2003).

ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
Статья

Google Scholar

15.

Itatani, J. et al. Томографическое изображение молекулярных орбиталей. Природа 432 , 867–871 (2004).

ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
Статья

Google Scholar

19.

Hohenleutner, M. et al. Наблюдение в режиме реального времени за интерферирующими кристаллическими электронами при генерации высоких гармоник. Природа 523 , 572–575 (2015).

ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
Статья

Google Scholar

23.

Луу, Т. Т. и др. Ультрафиолетовая спектроскопия высоких гармоник твердых тел. Природа 521 , 498–502 (2015).

ОБЪЯВЛЕНИЕ
КАС
Статья

Google Scholar

27.

Фулоп, Дж. А., Цорцакис, С. и Кампфрат, Т. Лазерные терагерцовые источники сильного поля. Доп. Опц. Матер. 8 , 1

1 (2020).

Артикул

Google Scholar

34.