20.11. Домішкові напівпровідники

Рис.20.17. Схема локалізації домішок донорних (а) та акцепторних (б) у кристалі та енергетичні схеми (в) донорного і акцепторного напівпровідників.

У реальних напівпровідниках завжди присутні домішкові атоми, концентрація яких залежить від ступеня їх чистоти, або від спеціальної обробки, що дозволяє збільшувати концентрацію відповідних домішок. Вони створюють у напівпровідниках локальні домішкові енергетичні рівні, які можуть знаходитись у забороненій зоні. В залежності від природи домішкових атомів, їх концентрації і інтенсивності збудження, наприклад теплового, суттєво залежать властивості напівпровідників: знак носіїв заряду, їх концентрація і рухливість. Домішки поділяються на дві групи: донорні і акцепторні.

Донорні домішки створюють донорні локальні центри у верхній половині забороненої зони, що знаходиться біля дна зони провідності (рис.20.17). Вони здатні при іонізації передавати свої електрони у зону провідності, що призводить до збільшення концентрації квазічастинок – електронів у зоні провідності. Тому напівпровідники з донорними домішками називаються донорними, електронними або n-типу напівпровідниками. Типовим прикладом донорних рівнів у кристалі є атоми , які заміщують деякі атоми . Із п’яти валентних орбіталей перекриваються з 4-ма орбіталями сусідніх атомів кристалу (рис.20.17.а), а електрон п’ятої орбіталі може збуджуватись у зону провідності, внаслідок чого утворюється іон При цьому, як видно з рис.20.17, витрачається менша енергія по зрівнянні зі збудженням електрона із валентної зони, бо .

Акцепторні домішки створюють акцепторні локальні центри у нижній половині забороненої зони, що знаходиться ближче до стелі валентної зони (рис.20.17). На відміну від донорних домішок вони здатні приєднувати до себе від’ємно заряджені електрони із валентної зони, утворюючи від’ємно заряджені іони й дірки у валентні зоні. Прикладом акцепторних домішок у кристалі є домішки атомів бору, який заміщує атоми кристалу (рис.20.17).

Розглянемо на прикладі донорних домішок вплив температури на концентрацію носіїв. При низьких температурах основним джерелом електронів провідності будуть донорні домішки, а не валентна зона, бо . Наявність домішок суттєво впливає на концентрацію носіїв та електропровідність напівпровідника. Зокрема, для донорного напівпровідника з концентрацією донорів на глибині – від дна зони провідності кількість іонізованих донорів, при умові _, дорівнює

, (20.61)⁴⁶

де - фактор виродження, який залежить від природи домішкового центру, наприклад, для донорів, енергія рівня яких знаходиться поблизу дна зони провідності . З умови нейтральності :

(20.62)

знаходимо вираз для

. (20.63)

Видно, що рівень знаходиться між дном зони провідності й рівнем донорних домішок. Підставивши цей вираз для у (20.62), знайдемо концентрацію електронів у зоні провідності донорного напівпровідника

. (20.64)

При збільшенні температур домішки виснажуються, і тому подальша температурна залежність буде визначатися збудженням електронів із валентної зони в зону провідності, тобто температурна залежність при високих температурах буде визначатися не енергією активації а енергією активації . Температурна залежність електропровідності в широкому інтервалі температур матиме такий вигляд, як показано на схематичному рис.20.18. При низьких температурах (область1) рівень хімічного потенціалу знаходиться між дном зони

Рис. 20.18. Залежність напівпровідника р-типу: 1- домішкова, 2 - насичення, 3 – власна (збудження носіїв із валентної зони).

провідності й рівнем домішкових центрів. Нахил цієї залежності в напівлогарифмічному масштабі становить , тому що концентрація електронів у зоні провідності утворюється іонізацією донорних домішок. При збільшенні температури, коли домішки стають іонізованими й , утворюється 2-га область, яка називається областю насичення. У цій області електропровідність слабо залежить від температури. При ще більших температурах починається збудження носіїв із валентної зони. Рівень хімічного потенціалу опускається нижче рівня домішок, і температурна залежність електропровідності визначається, головним чином, енергією активації , що дорівнює половині ширини забороненої зони як для власного напівпровідника (формула (20.64)). Аналогічні залежності можна отримати й для напівпровідників -типу з акцепторними домішками.

20.12. p-n переходи

На границі розділу напівпровідників n та р типів внаслідок впливу контактної різниці потенціалу виникає перехід. Електрони з напівпровідника n-типу будуть дифундувати до напівпровідника р-типу, а дірки з напівпровідника р-типу до напівпровідника n-типу до тих пір, поки на границі розділу не виникне електричне поле просторового заряду, яке гальмуватиме подальший перехід електронів та дірок. У рівновазі рівні хімічних потенціалів двох напівпровідників вирівняються Виникне контактне електричне поле переходу, при якому крізь перехід не проходитиме сумарний струм (рис.20.20).