Оптоэлектроника

Легированные полупроводники

Собственный полупроводник сам по себе сравнительно бесполезен. Одновременно он является плохим проводником и плохим изолятором. В то же время в альтерна­тивном варианте он становится фантастическим (и полезным!) материалом при его легировании. В действительности, при введении в полупроводник малого уровня определенных химических примесей, они могут эффективно занимать кристалли­ческие узлы в материале матрицы. В этом случае волновые функции гибридизиру­ются с атомами основной матрицы и предоставляют избыточные электроны в зону проводимости. Так происходит, например, с пятивалентным фосфором в кремнии (рис. 5.19) или, когда кремний вводится как примесь в ваАБ. Такие примеси назы­ваются донорами, а легированный такими примесями полупроводник называется полупроводником п - типа. Примеси другого типа могут захватывать электроны из кристаллической матрицы (при этом захваченный электрон становится связанным с примесью). Это происходит, например, с бором в кремнии (рис. 5.20). Такие примеси (или акцепторы) таким образом освобождают дырки в валентную зону полупроводника, обращая кристалл в материал р-типа.

Можно показать, что эти типы примесей (доноры и акцепторы) ведут себя как водородоподобные примесные центры, связывающие электроны и дырки кулонов - ским потенциалом с характеристической энергией ионизации:

£- = 8Й^^Г,3’6эВ (5-50)

Легированные полупроводникиГде т* — эффективная масса и^- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника. Это приводит к энергии ионизации, варьирующейся в диапазоне между 5 и 25 мэВ. Как следствие, эти примеси, по большей части ионизируются при комнатной температуре. В то же время это не имеет места в широкозонных полупроводниках типа ваЫ, где энергии ионизации водородоподобных примесей могут достигать 200 мэВ.

Р* а

Ч,/ N

Рис. 5.19. Пятивалентная примесь такая, как фосфор, введенная механизмом замеще­ния в решетку кремния, гибридизируется с тетрагонально расположенными соседними атомами и высвобождает избыточный электрон в решетку как свободную частицу (а). Это состояние приводит к возникновению донорно - го состояния, расположенного в нескольких десятках мэВ ниже зоны про­водимости (б). При комнатной температуре все эти центры ионизированы и предоставляют свои электроны зоне проводимости материала матрицы.

Легированные полупроводники

А б в

Рис. 5.20. Трехвалентная примесь, подобная бору и введенная в кремний, гибридизи­руется с соседними атомами в тетрагональной конфигурации, принимая элек­трон для ковалентной связи с соседним атомом, при этом нехватка электро­на и есть дырка (а). В действительности эта примесь вводит акцепторное состояние, расположенное в нескольких десятках мэВ над валентной зоной (б). При комнатной температуре все эти центры заняты электронами вален­тной зоны, в то время, как дырки «заселяют» валентную зону кристалла.

В последующем мы будем предполагать, что концентрация введенных доноров составляет Л^, а также то, что в рассматриваемом диапазоне температур все доноры ионизированы. Если » п., мы можем легко показать, все носители заряда в зоне проводимости термически возбуждаются из донорных уровней, при этом:

И = (5.51)

Следовательно, положение уровня Ферми составляет:

Ег = Ес-кТ 1п-^ (5.52)

** й

Аналогичным образом, если акцепторная примесь вводится в полупроводник в концентрации ИА, то концентрация дырок в валентной зоне, возникающая из-за захвата электронов из вершины валентной зоны, составляет:

Р = ЛГ, (5.53)

При этом положение уровня Ферми определяется соотношением:

Ег = Е, + кТп-^ (5.54)

Легированные полупроводники

0.00

подпись: 0.00

-0.05

подпись: -0.05

-0.10

подпись: -0.10

10'° 10‘

Уровень легирования (см ')

подпись: 10'° 10‘
уровень легирования (см ')

Рис. 5.21. Положение уровня Ферми в функции уровня ле­гирования. Полупроводник становится вырожденным при уровне легирования, большем эффективной плотности со­стояний.

подпись: рис. 5.21. положение уровня ферми в функции уровня ле-гирования. полупроводник становится вырожденным при уровне легирования, большем эффективной плотности со-стояний.Уравнения (5.52) и (5.54) показывают, что до тех пор, пока уровень легирова­ния не превышает эффективную плотность состояний в зонах, полупроводник бу­дет оставаться невырожденным. Рисунок 5.21 показывает положение уровня Фер­ми в СаАБ в функции уровня легирования.

Со

О

Оптоэлектроника

Приобретаем- купить осциллограф, тепловизоры, источники питания

Тепловизионные камеры. Тепловизоры testo - полупроводниковые приборы, наделённые возможностью наблюдать тепловое либо световое излучение. Тепловизор flir на собственном мониторе изображает оранжевыми, красными и желтыми цветами объекты, источающие тепло, но прохладные …

Конкуренция мод: перекрестные модуляторы

В дополнении 11.Д мы видели, что вблизи порога полупроводниковый лазер может генерировать в многомодовом режиме несмотря на то. что усиливающая среда яв­ляется однородной. При достаточно сильном возбуждении настолько выше порога, …

Униполярные квантово-каскадные лазеры

Одной из характерных особенностей полупроводниковых лазерных диодов являет­ся то, что в прямо смещенном диоде принимают участие два типа носителей (элек­троны и дырки). Это делает традиционные лазерные диоды биполярными приборами. Существует …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.