P-тип полупроводник: определение, свойства и примеси

P-тип полупроводник: ясно определение, ключови свойства и ролята на акцепторните примеси (бор, галий, алуминий) при образуване на дупки и проводимост.

Полупроводник от p-тип е вид полупроводник, при който носителите на заряд в изобилие са положителни "дупки". Когато тривалентен примес се добави към чист полупроводников материал (например силиций или германий), материалът става p-тип. Тривалентни примеси като бор, галий (Ga), индий (In), алуминий. и други се наричат акцепторни примеси, защото "приемат" електрон и създават свободни дупки в валентната зона. Обикновените полупроводници се намират между проводниците и изолаторите по отношение на електропроводимост. Електрическият ток възниква, когато електроните и дупките се движат под влияние на електрично поле; при p-тип материал преобладават дупките, което улеснява проводимостта.

Как възникват дупките и ролята на акцепторните примеси

Силицийът е елемент с четири валентни електрона. Когато атом на тривалентен елемент (с три валентни електрона) замести атом на силиций в кристалната решетка, остава една валентна връзка „незапълнена“ — това е дупката. От гледна точка на енергийните нива, акцепторният атом въвежда енергиен нивo (акцепторно ниво) малко над валентната зона; един електрон от валентната зона може да запълни това ниво, оставяйки дупка в валентната зона. Така се увеличава концентрацията на положителни носители (дупки) без да се въвеждат свободни електрони.

Носители на заряд: мнозинство и малцинство

• Мнозинство носители: дупки (positive carriers) — тяхната концентрация определя основната проводимост при p-тип.
• Малцинство носители: свободни електрони — присъстват в много по-малко количество, но участват в рекомбинация и в работата на устройства като диоди и транзистори.

Важно: движение на дупките е условно — физически се движат електроните, които запълват съседни дупки, но резултатът е еквивалентен на преместване на положителен заряд в посоката на електричното поле. Токът може да тече и в двете посоки в зависимост от приложеното напрежение — не е вярно, че проводимостта е само в една посока.

Енергийна картина и температура

При p-тип полупроводник акцепторните нива са близко до валентната зона (на няколко десетки меV при силиций). При стайна температура повечето акцепторни атоми са йонизирани и осигуряват дупки. С увеличаване на температурата се увеличава и термично генерираната концентрация на носители, но при силно допирани (област на екстрактен) материали основната проводимост остава определена от допинг нивото. Съществува и преход от екстригинен режим (допинг доминира) към интринзичен режим при високи температури, когато термично генерираните електрони и дупки стават значими.

Влияние на концентрацията на допанта и свойства

• Ниско допиране (примерно 10^13–10^15 cm^-3): по-ниска проводимост, по-голяма чувствителност към температурни и повърхностни ефекти.
• Средно до високо допиране (10^15–10^18 cm^-3 и повече): повишена проводимост, но понижаване на мобилността поради разсейване на носители от примесите.
• При много високи концентрации се появяват ефекти на компенсиране, локални дефекти и промени в електронната структура (метализация при екстремен допинг).

Методи за въвеждане на примеси

• Дифузия — традиционен процес, при който примес се дифундира в силициева подложка при висока температура.
• Ионна имплантация — контролируем метод за прецизно въвеждане на допант на определена дълбочина, следван от термично възстановяване на решетката.
• Епитаксиално отлагане — растеж на тънки слоеве с определен допинг по време на химичното отлагане (CVD, MBE и др.).

Измерване и характеризиране

• Хал ефект — определя типа на носителите (положителни за p-тип) и плътността им.
• Четири-точков пробен метод — измерва удължението/съпротивлението и позволява изчисляване на резистивността.
• Спектроскопия, CV (capacitance–voltage) измервания и други методи се използват за анализ на допинга и на профила на примесите в устройства.

Приложения

p-тип полупроводник е фундаментален за повечето полупроводникови устройства:

• p–n връзки (диоди) — комбинация от p- и n-тип материали образува светоизлъчващи диоди, фотодиоди, токоизправители и др.
• Биполярни транзистори (pnp и npn) — p-тип слоеве са ключови за pnp транзистори.
• Полупроводникови полеви транзистори (PMOS) — p-канални MOSFETs използват p-тип носители в канала.
• Сензори, фоточувствителни устройства и слънчеви клетки често използват комбинации от допирани слоеве за управление на поведението на носителите.

Допълнителни бележки

Типични акцепторни елементи за силиций са бор и алуминий, докато за германий често се използват подобни тривалентни елементи. При избора на допант се вземат предвид разтворимостта, енергийното ниво на акцептора, термичната стабилност и влиянието върху кристалната решетка. В практиката също се използва комбиниране на n- и p-тип области и контролирано създаване на граници и допинг-профили, за да се постигнат желаните характеристики на крайното устройство.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява полупроводникът от р-тип?

В: Какво представляват акцепторните примеси?

В: От какво се състоят обикновените полупроводници?

В: Как се появява електрически ток в даден материал?

В: Как полупроводник от p-тип позволява протичането на ток?

В: Какво представлява силицият и как се използва за производството на полупроводници?

Въпрос: Каква е целта на добавянето на тривалентен примес към чист полупроводник?

Търсене по буква