Акцепторы играют важную роль в формировании электрофизических свойств полупроводников. Рассмотрим подробно, акцептор — это такой тип примесей, который придает полупроводнику дырочный тип проводимости.
Влияние акцепторов на энергетическую структуру полупроводников
Акцептор — это примесный атом, который создает локализованные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника вблизи валентной зоны. За счет теплового движения электроны из валентной зоны могут переходить на эти уровни, оставляя в зоне дырки:
- При низких температурах акцепторные уровни незаполнены.
- С ростом температуры все больше электронов переходит с валентной зоны, заполняя уровни.
- При комнатной температуре уровни частично или полностью заполнены.
Различают акцептор это мелкие и глубокие акцепторы. У мелких акцепторов энергия ионизации мала и сравнима с тепловой энергией при комнатной температуре. Поэтому их уровни практически полностью ионизованы. У глубоких акцепторов ионизация происходит лишь при повышенных температурах.
Механизмы образования акцепторных уровней
Существует несколько механизмов создания акцепторных уровней в полупроводниках:
- Целенаправленное легирование примесями элементов III группы (B, Al, Ga, In и др.).
- Неконтролируемое загрязнение technological примесями при выращивании кристаллов.
- Образование точечных дефектов и вакансий в процессе отжига или облучения.
Наиболее распространен и технологически прост акцептор результата первый метод. При легировании кремния или германия бором, алюминием, галлием образуется замещающий тип примеси с четырьмя связями, одна из которых остается незаполненной.
Роль акцепторов в электропроводности
Акцепторные уровни играют ключевую роль в формировании дырочной электропроводности полупроводников. Рассмотрим подробно этот механизм.
При наличии электрического поля дырки, оставленные на валентной зоне, начинают дрейфовать к катоду. Однако сами по себе они не могут обеспечить электропроводность, поскольку являются неосновными носителями заряда в полупроводнике.
Происходит следующая последовательность процессов:
- Дырка с валентной зоны переходит на акцепторный уровень, компенсируя отрицательный заряд ионизированного акцептора.
- На освободившееся место в валентной зоне перескакивает электрон с соседнего атома, образуя там новую дырку.
- Этот электрон становится проводниковым носителем заряда.
Так происходит эстафетная передача дырок и электронов по кристаллической решетке полупроводника, обеспечивающая его электропроводность.
Применение акцепторных примесей
Акцепторные примеси широко используются в полупроводниковой технике для создания p-n переходов, фотодиодов, транзисторов и других приборов. Рассмотрим основные области применения таких примесей.
p-n переходы
Граница раздела между областями с разным типом проводимости (p и n) называется p-n переходом. Такие переходы лежат в основе диодов, тиристоров, транзисторов, солнечных элементов и других полупроводниковых приборов.
Фотодиоды
Фотодиоды преобразуют свет в электрический ток за счет внутреннего фотоэффекта в p-n переходе. Акцепторные примеси используют для создания области p-типа проводимости.
Светоизлучающие диоды
В светодиодах происходит преобразование электрической энергии в оптическое излучение при протекании тока через p-n переход. Акцепторы необходимы для формирования активной области диода.
Донорно-акцепторная рекомбинация
Важным процессом, происходящим с участием акцепторов в полупроводниках, является донорно-акцепторная рекомбинация. При этом электрон с донорного уровня переходит в валентную зону, рекомбинируясь с дыркой на акцепторном уровне:
- Происходит транзитный перенос заряда от донора к акцептору.
- Энергия перехода выделяется в виде фононов или излучения.
- Скорость рекомбинации зависит от концентрации и энергетического положения доноров и акцепторов.
Такая рекомбинация приводит к уменьшению времени жизни неравновесных носителей заряда и снижает эффективность работы полупроводниковых приборов.
Компенсированные полупроводники
Если концентрации донорных и акцепторных примесей в полупроводнике близки, то основные носители заряда компенсируются примесями противоположного типа:
- В n-типе дырки компенсируются ионизованными акцепторами.
- В p-типе электроны компенсируют ионизованные доноры.
Это приводит к резкому уменьшению концентрации свободных носителей и снижению проводимости полупроводника.
Методы определения параметров акцепторов
Для исследования параметров акцепторных примесей и их влияния на свойства полупроводников используют различные экспериментальные и теоретические методы:
- Измерение температурной зависимости электропроводности и эффекта Холла.
- Оптическая спектроскопия для определения ионизационной энергии.
- Теоретический расчет параметров из первых принципов.
Комплексные исследования позволяют получить достоверные данные об акцепторах для оптимизации параметров полупроводниковых структур.
Перспективы применения акцепторов
Дальнейшее развитие полупроводниковой техники требует создания новых типов акцепторных примесей с улучшенными характеристиками. Основные направления исследований:
- Поиск акцепторов для новых полупроводниковых материалов.
- Разработка технологий точечного легирования.
- Моделирование неоднородных полупроводниковых структур с акцепторами.
Решение подобных задач открывает путь к созданию приборов нового поколения для электроники, оптоэлектроники, сенсорики и других областей.
