2.2.2. Примесная проводимость
Проводимость полупроводника резко увеличивается при добавлении определенного количества специальных примесей, т.е. при легировании.
Химические элементы пятой группы таблицы Менделеева на внешней оболочке имеют пять валентных электронов (например, сурьма Sb, мышьяк As, фосфор P).
Внесем примесь в кремний. Атомы сурьмы взаимодействуют с атомами кремния четырьмя своими электронами, пятый электрон они отдают в зону проводимости.
Рис. 2.3. Возникновение примесной электронной проводимости
Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами. Атомы доноров, теряя электроны, сами заряжаются положительно. Полупроводник с преобладанием электронной полупроводимости, называют электронным полупроводником или полупроводником n-типа.
Энергетические уровни атомов донора немного ниже зоны проводимости основного полупроводника, поэтому из каждого атома донора электроны легко переходят в зону проводимости. Т.о., дополнительное число электронов равно числу атомов донора. В самих атомах донора дырки не образуются.
Рис. 2.4. Зонная диаграмма полупроводника n-типа
Химические элементы третьей группы таблицы Менделеева на внешней оболочке содержат три валентных электрона (например, индий In, бор B, алюминий Al, галлий Ga). Атомы примесей индия отбирают электроны у кремния, и в последних образуются дырки (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Возникновение примесной дырочной электропроводности
Вещества, отбирающие электроны и, создаваемые примесную дырочную электрическую проводимость называют акцепторами. Атомы акцепторов, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно.
При добавлении индия ∆W=0,01 эВ.
Полупроводники с преобладанием дырочной электрической проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p- типа.
Рис. 2.6. Зонная диаграмма полупроводника p-типа
Энергетические уровни атомов акцептора располагаются немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которых возникают дырки.
Концентрация примесей обычно ничтожно мала. Один атом примеси приходится приблизительно на 10 млн. атомов полупроводника (германия). Примесная проводимость выше собственной в тысячи раз.
Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси Ng или акцепторной Na должна превышать концентрацию собственных носителей заряда (ni=pi). При изготовлении полупроводников Ng или Na
Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называют основными. В полупроводнике n-типа – электроны, в p- типа – дырки. Не основными, являются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей. В полупроводнике n-типа – дырки, в p-типа – электроны.
В примесном полупроводнике концентрация не основных носителей уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей.
Рассмотрим прохождение тока через полупроводник с разным типом электрической проводимости.
Рис. 2.7. Ток в полупроводниках
В полупроводнике n-типа, под действием ЭДС, в проводах и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости. В полупроводнике p- типа, в проводах движутся электроны, в самом полупроводнике ток следует рассматривать как движение дырок.
В электротехнике принято условное (в направлении действующей ЭДС) направление тока от “плюса” к “минусу”. Истинное направление движения электронов изображено на рис. 2.7.
Помимо тока проводимости, в полупроводниках (дрейфа носители) может быть еще диффузионный ток, причиной которого является разная концентрация носителей.
Если носители заряда распределены равномерно по полупроводнику, то их концентрация называется равновесной. Под влиянием внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать неравновесной.
Носители
имеют собственную кинетическую энергию,
они переходят из мест с большой
концентрацией в места меньшей
концентрацией, то есть стремятся
распределиться равномерно. Вследствие
этого возникает ток диффузии
.
;
(2.1)
;
(2.2)
где е – заряд электрона,
Dn, Dp – коэффициент диффузии,
–
градиенты
концентрации электронов и дырок.