7.6. Примесные полупроводники.

7.6.1. Примесные уровни.

Полупроводники любой степени чистоты содержат всегда примесные атомы, создающие свои собственные энергетические уровни, получившие название примесных уровней. Эти уровни могут располагаться как в разре-шенной, так и в запрещенной зонах полупроводника на различных расстоя-ниях от вершины валентной зоны и дна зоны проводимости. В ряде случаев примеси вводят сознательно для придания полупроводнику необходимых свойств.

• Донорные уровни. Предположим, что в кристалле германия часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка. Германий имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайши-ми соседями, связанными с ним валентными силами (рис. 7.6.1,а).

Д ля установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует четыре валентных электрона; пятый электрон в образовании связи не участвует. Он продолжает двигаться в поле атома мышьяка, ослабленного в германии в  = 16 раз ( – диэлектрическая проницаемость германия). Вслед-ствие ослабления поля радиус орбиты электрона увеличивается в 16 раз, а энергия связи его с атомом мышьяка уменьшается примерно в  ²  256 раз, становясь равной Е_Д  0,01 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь таким образом, в электрон проводимости ( рис. 7.6.1,б).

На языке зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Между заполненной валентной зоной и зоной свободной проводи-мости располагаются энергетические уровни пятого электрона атомов мышь-яка (рис. 7.6.1,в) . Эти уровни размещаются непосредственно у дна зоны проводимости, отстоя от нее на расстоянии  Е_g  0.01 эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней энергии они переходят в зону проводимости (рис. 7.6.1,г). Образующиеся при этом положительные заряды («дырки») локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.

Примеси, являющиеся источником электронов проводимости , называются донорами, а энергетические уровни этих примесей – донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками п-типа; часто их называют также донорными полупроводниками.

• Акцепторные уровни. Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов германия замещена атомами трехвалентного индия (рис. 7.6.2,а). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заимствовать» у атома германия. Расчет показывает, что для этого требуется энергия порядка Е_а  0.01 эВ.

Р азорванная связь представляет собой дырку (рис. 7.6.2,б), так как она отвечает образованию в валентной зоне германия вакантного состояния.

На рис. 7.6.2,в показана зонная структура германия, содержащего примесь индия. Непосредственно у вершины валентной зоны на расстоянии Е_а  0.01 эВ располагаются незаполненные уровни атомов индия. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при относительно невысоких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни (рис. 7.6.2,г). Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решетке германия и в проводимости не участвуют. Носителями заряда являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупровод-ника, называют акцепторными, а энергетические уровни этих примесей – акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие такие примеси, называются дырочными полупроводниками, или полупроводниками p-типа; часто их называют акцепторными полупроводниками.