p-n Переход (электронно-дырочный переход)

[Lander]

Перечитаю еще раз ваши ссылки, которые Вы выкладывали, но предварительно, электроны Донора с удовльствием займут это место, но это не будет парной связи, это какая одинарная связь получается. Этакая неразделенная любовь атома Донора к атому полупроводника

Да и будет ли вокруг отдно и тогоде атома кремния находится стразу два атома примеси ?

[Kotische]

Да, получается так. Я уже говорила, что для этого применяют значительную энергию, просто так связи не разорвутся.

... образуется 4 "дырки"

Которые с удовольствием займёт ещё один атом мышьяка...
Я давала ссылки, в которых показано, какими способами внедряются примеси.

Света, ты слегка не права.

Вопервых, дырку на месте порвавшейся ковалентной связи атом заполнить не может.
Вовторых, "значительную энергию" затрачивают не на разрывы ковалентных связей,
а на то что бы запихнуть ион примеси поглубже в кристалл,
никакого отношения к образованию донорно-акцепторных связей эта энергия не имеет.

Если мы каким то образом, совершенно не важно ионной имплантацией или диффузией, поместим атом мышьяка в кристалл кремния, он станет частью кристаллической решетки. Между всеми атомами этой кристаллической решетки необходимо образуются ковалентные связи, что просто является следствием законов природы.
Если рядом находятся два атома имеющие свободные места на внешней электронной оболочке то они самопроизвольно объединяются в ковалентную связь, при этом энергия не затрачивается, а как бы даже выделяется.

Если в кристаллической решетке кремния появится атом мышьяка (неважно как он туда попал), он имея на внешней оболочке пять электронов сможет четыре из них отдать для образования ковалентных связей с окружающими его четырьмя атомами кремния. Пятый электрон останентся при атоме мышьяка ни с кем не образующим никаких ковалентных связей, но и весьма слабо связанным с атомом мышъяка. При малейшем поступлении энергии (нагрев), этот электрон переходт в возбужденное состояние, становясь электроном проводимости.

[Lander]

Kotische, Огромное Спасибо!

Но вопросы льются несканчаемой рекой.

Вот цитатаы из книжки:

"Пусть в крситал кремния каким то образом попал атом мышьяка (As) и занял место в одном из узлов кристаллической решетки, заместив в нем законного хозяина - атом Si. Атом Si имеет четрые валентных электрона, атом As - пять. Четрые валентных электрона мышьяка будут учавствовать в связях с соседнмми атомамми кремния. Пятый электрон будет удерживаться атомом As, но гараздо слабее, чем остальные четрые, прочно "связанные" в электронных орбитах, определяемых всей структурой кристалла кремния." (с) Библиотека квант.выпуск 65. Барьеры

1)Что значит выражение атом Мышьяка замещает атом Кремния ? Он его грубо говоря отодвигает ?

2)Если отодвигает, то непонятно, как можно отодвинуть "узел" кристалической решетки ?

3)Но даже если отодвигает, то опять все таки получается, что образовав коволентную связь с примесью, атому Кремния приходиться разрывать ковлентнуюсвязь со своими собсвенными соседями.

4)На сколько вообще атомов кремния приходиться один атома примеси ?

[yaotzin]

Lander книга барьеры - левинштейн страница 27.
книга мир знаний - Капц Курочкин - 36 стриница вверху.

[Lander]

Барьеры, стр.27 - там нет не единого ответа на мои вышепреведенные вопросы.

yaotzin, пожалуйста не сочти за большой труд, укажи номер обзаца и номер строки, где на стр.27 в книге Баоьеры, дается ответ на вышеперечисленные вопросы ?? Пожалуйста пожалуйста

[Kotische]

1)Что значит выражение атом Мышьяка замещает атом Кремния ? Он его грубо говоря отодвигает ?

Это означает, что в том месте где раньше находился атом кремния, теперь находится атом мышьяка. Причем БЕЗ УТОЧНЕНИЯ того каким образом он там оказался.

2)Если отодвигает, то непонятно, как можно отодвинуть "узел" кристалической решетки ?

Если кристаллическая решетка идеальная, то отодвигание не возмодно.
Но идеальной решетки быть не может даже при абсолютном нуле температуры.
В реальной решетке есть дефекты кристаллической решетки, на этих дефектах атомы могут меняться местами и ползать по кристаллу прыгая из узла в узел. Но это слишком тонкие эффекты, не будем об этом говорить.

3)Но даже если отодвигает, то опять все таки получается, что образовав коволентную связь с примесью, атому Кремния приходиться разрывать ковлентнуюсвязь со своими собсвенными соседями.

Не тони в деталях. Эти детали не имеют прямого отношения к рассматриваемому вопросу о донорах акцепторах и примесях.

4)На сколько вообще атомов кремния приходиться один атома примеси ?

Ну типичное значение 1 атом примеси на 1000000 атомов кремния. В высоколегированых полупроводах (светодиоды, лазеры, варикапы) немно больше.

[Lander]

Здравствуйе,
Дошел очень медленно, но все таки верно, до расмотрения полупроводника P-типа в однородном электрическом поле. С n-типом просто рай, там все понятно.

Вот упрогщенная картинка полупроводника кремния с атомом акцептора Бора. Видны ковалентные связи и видны непарные связи у Бора, то есть между атомом кремния и Бора вращается один электрон, а не два:




А вот теперь совершенно не понятно, просто как перед стеной стою. Вот помесили этот кусок в электрическое поле. С одной сторны плюс с другйо минус. Электроны должны двигаться к плюсу, Но в этой куске полупроводника нет свободных электронов (не один электрон не находиться в хоне проводимости, а находятся все электроны в валентной зоне).

И как в этом случае будет наблюдаться движение ?? Ума не приложу

[Kotische]

То что ты нарисовал - это кристалл находящийся при абсолютном нуле температуры.
В нем нет свободных носителей заряда, и он представляет из себя изолятор, т.е. электрический ток не проводит!

Что бы началось проведение тока нужно что бы возник свободный носитель заряда электрон или дырка.
Для того что бы он возник, нужно затратить некоторую энергию - энергию активации донорной/акцепторной примеси.

В случае акцептора, нужно затратить энергию, на то что бы оторвать электрон у атома кремния и прилепить его к атому бора.
В результате на атоме кремния у которого оторвали электрон возникнет дырка, которая сможет перемещаться по кристаллу.
На самом деле конечно перемещается не дырка, а валентный электрон атома кремния тунеллирует в дырку,
а на месте откуда он тунеллировал дырка возникает. Издалека это выглядит как будто бы движется дырка.

[Lander]

Спасибо за ответ!!!

1)Но, Вы хотите сказать, что акцептор полностью забирает Электрон у Кремния, тоесть электрон грубо говря вращаеться только на орбите Акцептора ??
Или же все таки один Электрон вращаеться между двух атомом Кремния и Акцептора ?

2)У атома Крмения оторвали дырку, но у него с тремя соседними атомами ковалентная связь, как эта "дырка" будет перемещаться ? Грубо говоря, все нескомпнсированные электроны крмения, захвачены всеми ведеными атомами Акцептора - все полупроводник стал неподвижным = Акцептор имеет три ковалентые связи с тремя соседними атомами кремния, и один захваченный электрон. Все никто никуда не может двигаться везде ковалетные связи, и захваченные электроны блин

[Kotische]

акцептор полностью забирает Электрон у Кремния

Да. Атом акцептора "необратимо" превращается в ион.

тоесть электрон грубо говря вращаеться только на орбите Акцептора ??
Или же все таки один Электрон вращаеться между двух атомом Кремния и Акцептора ?

Пара электронов формирует ковалентную связь, соответственно принадлежит сразу двум атомам.

У атома Крмения оторвали дырку, но у него с тремя соседними атомами ковалентная связь, как эта "дырка" будет перемещаться ?

Дырку "оторвать" нельзя. Дырка это ковалентная связь из которой выбит один электрон.

Грубо говоря, все нескомпнсированные электроны крмения, захвачены всеми ведеными атомами Акцептора - все полупроводник стал неподвижным = Акцептор имеет три ковалентые связи с тремя соседними атомами кремния, и один захваченный электрон. Все никто никуда не может двигаться везде ковалетные связи, и захваченные электроны

Электрон сел на ковалентную связь бор-кремний, образовав электронную пару.
Но этот электрон был взят из какой то другой связи (пары).
"Поврежденная" пара (связь) превратилась в дырку, и тепер она может перемещаться по кристаллу, отбирая электроны с других связей.
Соответственно дырка (поврежденная связь) захватив электрон исчезает (в этом месте), но т.к. электрон откудато взят, там откуда он взят эта дырка возникает, превращая ковалентную связь в дырку.

[Lander]

Я весьма прошу прощения, что Вы мне так все подробно обьясняете, я не могу понять:

"Электрон сел на ковалентную связь бор-кремний, образовав электронную пару."

Бор внедрился в узел решетки, за место атома кремния - он по наследству получил три ковалентные связи, и при комнатной температуре, полностью захватил электрон у четвертого соседнего атома кремения.

Как и почему(зачем) откуда то Электрон мог сесть на ковалентную связь Бор-Кремний ? У Бора у же имееюся три ковалентные связи и один Полностью захваченный Электрон, на какую ковалентную связь может сесть Электрон ?


"Но этот электрон был взят из какой то другой связи (пары)."

А как и по какой причине могла разорваться косвалентная связь Кремний-Кремний ? Просто как в собсвенно полупроводнике, какой то электрон как то получил больше энергии и вырвался в зону проводимсти ?

[yaotzin]

Lander Даже не знаю что вы не понимаете =] в P материале электроны движутся по ковалентным связям потому как в ковалентных связях много дырок.
Поскольку много дырок, электронам легче передвигаться по дыркам.
Там глубоко все равно какой электрон к какому атому принадлежал раньше(там уже не понятно и вы его отслеживать не сможите).
Вот есть толпа электронов которые могут перемещаться по дыркам, подключили батарейку, появилось электрическое поле которое заставляет электроны двигаться в направлении плюса.
Электрон заметил дырку и перепрыгнул, сзади оказалась дырка, дальше самый первый электрон выпрыгнул вообще за пределы P проводника - соответственно появилась дырка и предыдущий электрон может занять ее. Вот так дырка идет влево а элекьтроны вправо.

П.С. По памяти вроде так но могу ошибаться

[Lander]

Тогда еще раз, как я понял это читая книжку:

В полупроводник кремний ввели акцептор Бор. Бор занял место атома кремния в узле решетки (незнаю куда пропал кремний уже все равно, за место кремния бявился Бор).

При Абсолютном нули:

У бора 3 валентныйх Электрона. Соответсвенно Бор образовывет ковалетные связи с тремя соседними атомами кремния, для четвертого атома кремния у Бора не хватает электрона. Соответсвенно четвертый соседний атом кремния образовывет так три ковалетный связи с соедними атомами кремния и вращающимся ТОЛЬКО ВОКРУГ ЯДРА АТОМА КРЕМНИЯ Электроном.

Поместили теперь все это в команту с теплой температорой:

Тот электрон атома кремния, который не образовывал не с кем ковалетной связи по какой то причине (типа получил тепловую энергию) переходит ПОЛНОСТЬЮ к атому Бора - ПОЛНОСТЬЮ ДАЖЕ НЕ ВРАЩАЮСЬ ВОКРУГ ДВУХ АТОМОВ, А ПОЛНОСТЬ ТОЛЬКО К ОДНОМУ АТОМУ БОРА - ПРАВИЛЬНО ?

И так происходит по всему кристалу - злобный Бор захватил у соседнего кремния электрон. У кремния образовался недостущее место, то есть атом кремния превратился в положительный Ион. Так как при комантной температуре, вероятность разрыва ковалентных связей не велика, то картина становиться статичной! Все P-полупроводник превратился в какой никакой, но изолятор, так как в нем нет электронов в зоне проводимости, все нахдятся в валентной зоне!! Правильно ?


А теперь подключаем батарейку - образовалось электрическое поле ---> Электроны стремяться к "+", но все электроны находятся в валетной зоне, большинство электронов образовывают ковалентные связи, другие одиночно крутяться ТОЛЬКО вокргу атомов Бора.
Какой Электрон первый побежит к "+" ???

[yaotzin]

Тогда еще раз, как я понял это читая книжку:

В полупроводник кремний ввели акцептор Бор. Бор занял место атома кремния в узле решетки (незнаю куда пропал кремний уже все равно, за место кремния бявился Бор).

При Абсолютном нули:

У бора 3 валентныйх Электрона. Соответсвенно Бор образовывет ковалетные связи с тремя соседними атомами кремния, для четвертого атома кремния у Бора не хватает электрона. Соответсвенно четвертый соседний атом кремния образовывет так три ковалетный связи с соедними атомами кремния и вращающимся ТОЛЬКО ВОКРУГ ЯДРА АТОМА КРЕМНИЯ Электроном.

Поместили теперь все это в команту с теплой температорой:

Тот электрон атома кремния, который не образовывал не с кем ковалетной связи по какой то причине (типа получил тепловую энергию) переходит ПОЛНОСТЬЮ к атому Бора - ПОЛНОСТЬЮ ДАЖЕ НЕ ВРАЩАЮСЬ ВОКРУГ ДВУХ АТОМОВ, А ПОЛНОСТЬ ТОЛЬКО К ОДНОМУ АТОМУ БОРА - ПРАВИЛЬНО ?

И так происходит по всему кристалу - злобный Бор захватил у соседнего кремния электрон. У кремния образовался недостущее место, то есть атом кремния превратился в положительный Ион. Так как при комантной температуре, вероятность разрыва ковалентных связей не велика, то картина становиться статичной! Все P-полупроводник превратился в какой никакой, но изолятор, так как в нем нет электронов в зоне проводимости, все нахдятся в валентной зоне!! Правильно ?


А теперь подключаем батарейку - образовалось электрическое поле ---> Электроны стремяться к "+", но все электроны находятся в валетной зоне, большинство электронов образовывают ковалентные связи, другие одиночно крутяться ТОЛЬКО вокргу атомов Бора.
Какой Электрон первый побежит к "+" ???

1:11
http://www.youtube.com/watch?v=Dcbv_uktjKE

----------
P и N материалы наоборот больше проводимы чем чистый материал состояший только из кремния!!! в этом вся фишка, электрону легче передвигатся по дыркам и материал P проводит электричество лучше чем тот у которого нет дырок.

Материал N типа проводит электричество лучше чем чистый материал кремния(кристаллическая решетка только из крмения) потому как дофига электронов в зоне проводимости.

бор позахватывал электроны у кремния, поэтому у атомов кремния не стало хватать электрона в ковалентной связи, значит мы видим картину где куча дыр в ковалентных связях в данном материале.

Тот электрон атома кремния, который не образовывал не с кем ковалетной связи по какой то причине (типа получил тепловую энергию) переходит ПОЛНОСТЬЮ к атому Бора - ПОЛНОСТЬЮ ДАЖЕ НЕ ВРАЩАЮСЬ ВОКРУГ ДВУХ АТОМОВ, А ПОЛНОСТЬ ТОЛЬКО К ОДНОМУ АТОМУ БОРА - ПРАВИЛЬНО ?

наверное да, электрон кремния перешел к бору и в ковалентной связи кремния образовалась дырка.
Если это представить так что очень много кремния и очень мало бора. То дырки будут в ковалентных связях у кремния гараздо больше чем у бора, поскольку кремния больше чем бора(намного).
Как мне кажется бор вообще можно не учитывать, а просто представлять себе это как появилась некое количество дырок в ковалентных связях у кремния.

[yaotzin]

Какой Электрон первый побежит к "+" ???
Они все побегут к плюсу по ковалентным связям(поскольку их всех заставит сила которая называется электрическое поле), переходя от одной дырки в ковалентной связи к другой.

движение в валентной зоне

Код: Выделить всё

                                            -                 [b]->[/b]              +
                                         [b]Начало[/b]ээээээээээээээ0э[b]Конец[/b]
я 1 электрон ушел вправо [b]Начало[/b]эээээээээээээ0ээ[b]Конец[/b] я тут 1 уже электрон прювэт
я 2 электрон ушел вправо [b]Начало[/b]ээээээээээээ0эээ[b]Конец[/b] я тут 2 уже электрон прювэт
я 3 электрон ушел вправо [b]Начало[/b]эээээээээээ0ээээ[b]Конец[/b] я тут 3 уже электрон прювэт
и т.д.

[Lander]

Чтож я понять то не могу

Вот полупроводник P-типа, при комнатной температуре:




Все электроны находтся в Влентной зоне, кто образует ковалентуную связь, кто просто вращаеться вокруг Бора. Это процесс устоявшийся при остутствии внешнего поля, появляеться минимум электроно-дырочных пар, для упрощения можно сказать, не появляются при комнатной температуре.

Но вот полупроводник подключили к батарейки - на электроны начинает действовать электрическое поле, Но все они находяться вне зоны проводимости, будь это металл, то они начали двигаться по направления поля к "+", но это полупроводник с электронами в Валетной зоне.

Можете пожалуйста по пронумерованным электронам обозначить, как примерно могут передвигаться электроны в p-типе под действием поля ???

[Gudd-Head]

Все электроны находтся в Влентной зоне, кто образует ковалентуную связь, кто просто вращаеться вокруг Бора.

Мне кажется, вы путаете абстрактное представление о зонах с пространственным расположением атомов и электронов.

[Lander]

Черту валетной зоны я изобразил, как будто это энергитическая диаграмма

Но все таки, в чем большая разница между картинкой вверху и изолятором и как начнут двигаться электроны в элекрическом поле, если они не свободны, не обладают достаточной энергией, чтобы разорвать связи.

Как же они будут двигаться, хоть и по ковалеым связям ?

[Kotische]

Тот электрон атома кремния, который не образовывал не с кем ковалетной связи по какой то причине (типа получил тепловую энергию) переходит ПОЛНОСТЬЮ к атому Бора - ПОЛНОСТЬЮ ДАЖЕ НЕ ВРАЩАЮСЬ ВОКРУГ ДВУХ АТОМОВ, А ПОЛНОСТЬ ТОЛЬКО К ОДНОМУ АТОМУ БОРА - ПРАВИЛЬНО ?

Нет, не правильно.
Для образования связи нужно ДВА электрона.
Бор отбирает не тот "электрон атома кремния, который не образовывал не с кем ковалетной связи", а электрон у разрушенной ковалентной связи между двумя атомами кремния.
Соответственно, связь разрушилась, образовалась ПАРА электроп+дырка, атом бора захватил электрон и превратился при этом в ион бора. При этом свободный электрон ИСЧЕЗ, а свободная дырка оталась и пошла дрейфовать по кристаллу.

А теперь подключаем батарейку - образовалось электрическое поле ---> Электроны стремяться к "+", но все электроны находятся в валетной зоне, большинство электронов образовывают ковалентные связи, другие одиночно крутяться ТОЛЬКО вокргу атомов Бора.
Какой Электрон первый побежит к "+" ???

На самом деле электроны прыгают с сатома на атом ТУНЕЛЬНЫМ образом.
Т.е. они при этом физически как бы не перемещаются, а просто исчезают в одном месте и появляются в другом.
По сути это квантовая телепортация.
Необходимым условием для телепортации (тунелирования) является наличие в конечной точке свободного места.
Т.е. у атома куда телепортируется электрон должно быть свободное на энергетической диаграмме, соответствующее энергии телепортируемого электрона.
Эта телепортация происходит без затрат энергии, и поскольку все электроны в среднем имеют энергию kT это соответствует огромной (километры в секунду) скрости с которой электроны носятся туды-сюды.
Внешнее электрическое поле приложенное к кристаллу вызывает НЕБОЛЬШОЕ увеличение вероятности прыжка электрона по поля и небольшое уменьшение вероятности прыжка электрона против поля.

[yaotzin]

все электроны в среднем имеют энергию kT это соответствует огромной (километры в секунду) скрости с которой электроны носятся туды-сюды.

Насколько я помню они очень очень медленно перемещаются ? электрическое поле быстро распространяется, а вот электроны очень медленные.

В проводах скорость движения электронов под действием поля в промежутках времени между двумя столкновениями может быть сравнительно значительной, достигая нескольких километров в секунду. Но бесчисленные столкновения приводят к тому, что фактическое перемещение электронов в направлении действия поля характеризуется чрезвычайно малой скоростью. Эта скорость в конечном счете определяется напряженностью поля и в среднем при напряженности поля 1 вольт на сантиметр длины провода составляет около десяти сантиметров в секунду.