Donante (física)

Donante en física del estado sólido (ver también semiconductores ): una impureza en la red cristalina , que le da al cristal un electrón . Se introduce con un tipo de enlace covalente. Hay donantes de carga simple y de carga múltiple . Por ejemplo, en cristales de elementos del grupo IV del sistema periódico de elementos ( silicio , germanio ), los elementos del grupo V son donantes cargados individualmente: fósforo , arsénico , antimonio . Dado que los elementos del quinto grupo tienen una valencia de 5, cuatro electrones forman un enlace químico con cuatro átomos de silicio vecinos en la red, y el quinto electrón resulta estar débilmente enlazado ( la energía de enlace es del orden de varias centésimas de un electrón-voltio) y forma el llamado centro de impurezas similar al hidrógeno , cuya energía se estima simplemente a partir de la solución de la ecuación de Schrödinger para el átomo de hidrógeno , teniendo en cuenta que el electrón en el cristal es una cuasipartícula y su valor efectivo la masa difiere de la masa del electrón, y también que el electrón no se mueve en el vacío , sino en un medio con cierta permitividad (alrededor de 10) .

Los átomos de impurezas donantes, que se introducen en el semiconductor y le donan uno o más electrones, crean un exceso de electrones y forman el llamado semiconductor de tipo n . El átomo donante retiene débilmente el electrón adicional y, a una temperatura suficiente, este electrón puede pasar a la banda de conducción y participar en la conductividad eléctrica del cristal.

El electrón adicional unido al átomo donante forma lo que se conoce como el nivel donante en la banda prohibida . Un nivel donante se denomina somero si su energía (medida desde el fondo de la banda de conducción ) es comparable a la energía característica del movimiento térmico a temperatura ambiente , donde es la temperatura y es la constante de Boltzmann . Esta energía es de aproximadamente 26 meV . Los donantes superficiales pueden ser no solo átomos de impurezas, sino también complejos de defectos estructurales (por ejemplo, los llamados donantes térmicos en silicio ). Muchas impurezas y defectos puntuales (por ejemplo, oro y cobre en silicio , vacantes , son donantes profundos. A diferencia de los donantes superficiales, tienen poco efecto sobre la resistividad eléctrica , pero reducen significativamente la vida útil de los portadores de carga que no están en equilibrio . ${\ Displaystyle k_ {b} T}$ $T$ $k_B$

El electrón adicional es atraído por la fuerza de Coulomb hacia el ion donante, que tiene un exceso de carga positiva en comparación con los átomos del semiconductor. Debido a esta atracción, los niveles de donantes forman una serie similar al hidrógeno con energías que se pueden calcular a partir de la fórmula

E_{d}=E_{C}-R_{H}{\frac {m_{e}^{*}/m_{0}}{\varepsilon ^{2}}}{\frac {1} {n^{2}}}

donde es la energía del nivel donante, es la energía de la parte inferior de la banda de conducción, es la constante de Rydberg (alrededor de 13,6 eV), es la masa efectiva del electrón, es la masa del electrón libre, es la permitividad de el semiconductor, y n es un número entero que puede tomar valores de uno a infinito, pero solo algunos de los niveles más bajos con n pequeño son prácticamente importantes . ${\ Displaystyle E_ {d}}$ ${\ estilo de visualización E_ {C}}$ $R_{H}$ $m_{e}^{*}$ ${\ Displaystyle m_ {0}}$ $\varepsilon$

Debido al hecho de que las masas efectivas de electrones en los semiconductores son pequeñas y las permitividades dieléctricas son bastante grandes (del orden de 10), la energía de los niveles de donantes es baja y los radios de localización de las funciones de onda correspondientes son bastante grandes ~ 10 nm y se extienden sobre varios periodos de la red cristalina.

Véase también

Aceptador (física)

Literatura

Anselm AI Introducción a la teoría de los semiconductores. - 2ª ed., añadir. y revisado .. - M . : Nauka, 1978. - 615 p.