Донор (физика): различия между версиями
[отпатрулированная версия] | [отпатрулированная версия] |
Ququ (обсуждение | вклад) →См. также: ref |
Ququ (обсуждение | вклад) м оформление |
||
Строка 1: | Строка 1: | ||
{{другие значения|Донор}} |
{{другие значения|Донор}} |
||
'''Донор''' в [[физика твёрдого тела|физике твёрдого тела]] (см. также [[полупроводник]]и) |
'''Донор''' в [[физика твёрдого тела|физике твёрдого тела]] (см. также [[полупроводник]]и) — примесь в [[кристаллическая решётка|кристаллической решётке]], которая отдаёт кристаллу [[электрон]]. Вводится при [[ковалентная связь|ковалентном]] типе связи. Бывают [[однозарядные доноры|однозарядные]] и [[многозарядные доноры]]. Например, в кристаллах элементов IV группы [[периодическая система элементов|периодической системы элементов]] ([[кремний|кремнии]], [[германий|германии]]) однозарядными донорами являются элементы V группы: [[фосфор]], [[мышьяк]], [[сурьма]]. Так как элементы пятой группы обладают [[валентность]]ю 5, то четыре электрона образуют [[химическая связь|химическую связь]] с четырьмя соседними атомами кремния в решётке, а пятый электрон оказывается слабо связанным (энергия связи порядка нескольких сотых электрон-вольта) и образует так называемый [[водородоподобный примесный центр]], энергию которого просто оценить из решения [[уравнение Шрёдингера|уравнения Шрёдингера]] для [[атом]]а [[водород]]а, принимая во внимание, что электрон в кристалле — [[квазичастица]] и его [[эффективная масса]] отличается от [[масса|массы]] электрона, а также, что электрон движется не в [[вакуум]]е, а в среде с некой (порядка 10) [[диэлектрическая проницаемость|диэлектрической проницаемостью]]. |
||
[[ |
[[Файл:N-doped Si.svg|thumb|Схематическое изображение [[кремний|кремния]] с донорной примесью [[фосфор]]а]] |
||
Атомы донорных примесей, которые вводятся в полупроводник и отдают ему один или несколько электронов, создают избыток электронов и формируют так называемый [[полупроводник n-типа]]. Атом донора удерживает лишний электрон слабо, и при достаточной температуре этот электрон может перейти в [[зона проводимости|зону проводимости]] и участвовать в электропроводности кристалла. |
Атомы донорных примесей, которые вводятся в полупроводник и отдают ему один или несколько электронов, создают избыток электронов и формируют так называемый [[полупроводник n-типа]]. Атом донора удерживает лишний электрон слабо, и при достаточной температуре этот электрон может перейти в [[зона проводимости|зону проводимости]] и участвовать в электропроводности кристалла. |
||
Дополнительный электрон, связанный с атомом донора, образует так называемый ''донорный уровень'' в [[запрещенная зона|запрещенной зоне]]. Донорный уровень называется мелким, если его энергия (отсчитываемая от [[дно зоны проводимости|дна зоны проводимости]]) сравнима с характерной энергией теплового движения при комнатной температуре <math>k_bT</math>, где <math>T</math> |
Дополнительный электрон, связанный с атомом донора, образует так называемый ''донорный уровень'' в [[запрещенная зона|запрещенной зоне]]. Донорный уровень называется мелким, если его энергия (отсчитываемая от [[дно зоны проводимости|дна зоны проводимости]]) сравнима с характерной энергией теплового движения при комнатной температуре <math>k_bT</math>, где <math>T</math> — температура, а <math> k_B </math> — [[постоянная Больцмана]]. Эта энергия составляет примерно 26 м[[эВ]]. Мелкими донорами могут быть не только примесные атомы, но и комплексы структурных дефектов (например т. н. [[термодонор]]ы в [[кремний|кремнии]]). Многие [[примесь|примеси]] и [[точечный дефект|точечные дефекты]], (например [[золото]] и [[медь]] в [[кремний|кремнии]], [[вакансия (физика)|вакансии]], являются глубокими донорами. В отличие от мелких доноров, они слабо влияют на [[удельное электросопротивление]], но существенно снижают [[время жизни]] [[равновесие|неравновесных]] [[носитель заряда|носителей заряда]]. |
||
Лишний электрон притягивается кулоновской силой к иону донора, который имеет избыточный положительный заряд по сравнению с атомами полупроводника. Вследствие такого притяжения донорные уровни образуют водородоподобную серию с энергиями, которые можно рассчитать по формуле |
Лишний электрон притягивается кулоновской силой к иону донора, который имеет избыточный положительный заряд по сравнению с атомами полупроводника. Вследствие такого притяжения донорные уровни образуют водородоподобную серию с энергиями, которые можно рассчитать по формуле |
||
:<math> E_d = E_C - R_H \frac{m_e ^ * / m_0}{\varepsilon ^ 2} \frac{1}{n^2} </math> |
: <math> E_d = E_C - R_H \frac{m_e ^ * / m_0}{\varepsilon ^ 2} \frac{1}{n^2} </math> |
||
где <math> E_d </math> |
где <math> E_d </math> — энергия донорного уровня, <math> E_C </math> — энергия дна зоны проводимости, <math> R_H </math> — постоянная Ридберга (примерно 13,6 эВ), <math> m_e^{*} </math> — [[эффективная масса]] электрона, <math> m_0 </math> — масса свободного электрона, <math> \varepsilon </math> — диэлектрическая проницаемость полупроводника, а ''n'' — целое число, которое может принимать значения от единицы до бесконечности, но практически важны лишь несколько самых низких уровней с малыми ''n''. |
||
Благодаря тому обстоятельству, что эффективные массы электронов в полупроводниках малы, а диэлектрические проницаемости довольно большие (порядка 10), энергия донорных уровней мала, а радиусы локализации соответствующих волновых функций довольно большие ~10 |
Благодаря тому обстоятельству, что эффективные массы электронов в полупроводниках малы, а диэлектрические проницаемости довольно большие (порядка 10), энергия донорных уровней мала, а радиусы локализации соответствующих волновых функций довольно большие ~10 |
||
нм, распространяются на несколько периодов кристаллической решетки. |
нм, распространяются на несколько периодов кристаллической решетки. |
||
== См. также == |
== См. также == |
||
* [[Акцептор (физика полупроводников)]] |
* [[Акцептор (физика полупроводников)]] |
||
==Литература== |
== Литература == |
||
{{книга |
{{книга |
||
|автор = Ансельм А. И. |
|автор = Ансельм А. И. |
Версия от 14:10, 21 октября 2012
Донор в физике твёрдого тела (см. также полупроводники) — примесь в кристаллической решётке, которая отдаёт кристаллу электрон. Вводится при ковалентном типе связи. Бывают однозарядные и многозарядные доноры. Например, в кристаллах элементов IV группы периодической системы элементов (кремнии, германии) однозарядными донорами являются элементы V группы: фосфор, мышьяк, сурьма. Так как элементы пятой группы обладают валентностью 5, то четыре электрона образуют химическую связь с четырьмя соседними атомами кремния в решётке, а пятый электрон оказывается слабо связанным (энергия связи порядка нескольких сотых электрон-вольта) и образует так называемый водородоподобный примесный центр, энергию которого просто оценить из решения уравнения Шрёдингера для атома водорода, принимая во внимание, что электрон в кристалле — квазичастица и его эффективная масса отличается от массы электрона, а также, что электрон движется не в вакууме, а в среде с некой (порядка 10) диэлектрической проницаемостью.
Атомы донорных примесей, которые вводятся в полупроводник и отдают ему один или несколько электронов, создают избыток электронов и формируют так называемый полупроводник n-типа. Атом донора удерживает лишний электрон слабо, и при достаточной температуре этот электрон может перейти в зону проводимости и участвовать в электропроводности кристалла.
Дополнительный электрон, связанный с атомом донора, образует так называемый донорный уровень в запрещенной зоне. Донорный уровень называется мелким, если его энергия (отсчитываемая от дна зоны проводимости) сравнима с характерной энергией теплового движения при комнатной температуре , где — температура, а — постоянная Больцмана. Эта энергия составляет примерно 26 мэВ. Мелкими донорами могут быть не только примесные атомы, но и комплексы структурных дефектов (например т. н. термодоноры в кремнии). Многие примеси и точечные дефекты, (например золото и медь в кремнии, вакансии, являются глубокими донорами. В отличие от мелких доноров, они слабо влияют на удельное электросопротивление, но существенно снижают время жизни неравновесных носителей заряда. Лишний электрон притягивается кулоновской силой к иону донора, который имеет избыточный положительный заряд по сравнению с атомами полупроводника. Вследствие такого притяжения донорные уровни образуют водородоподобную серию с энергиями, которые можно рассчитать по формуле
где — энергия донорного уровня, — энергия дна зоны проводимости, — постоянная Ридберга (примерно 13,6 эВ), — эффективная масса электрона, — масса свободного электрона, — диэлектрическая проницаемость полупроводника, а n — целое число, которое может принимать значения от единицы до бесконечности, но практически важны лишь несколько самых низких уровней с малыми n.
Благодаря тому обстоятельству, что эффективные массы электронов в полупроводниках малы, а диэлектрические проницаемости довольно большие (порядка 10), энергия донорных уровней мала, а радиусы локализации соответствующих волновых функций довольно большие ~10 нм, распространяются на несколько периодов кристаллической решетки.
См. также
Литература
Ансельм А. И. Введение в теорию полупроводников. — 2-е изд., доп. и перераб.. — М.: Наука, 1978. — 615 с.
Для улучшения этой статьи желательно:
|