1.1.2 Напівпровідники з електронною електропровідністю
При введенні в 4-валентний напівпровідник домішкових 5-валентних атомів (фосфору Р, сурми Sb) атоми домішок заміщають основні атоми у вузлах кристалічної решітки (рис. 1.4, а). Чотири електрони атома домішки вступають в зв'язок з чотирма валентними електронами сусідніх атомів основного напівпровідника. П'ятий валентний електрон слабо пов'язаний з своїм атомом і при повідомленні йому незначної енергії, званою енергією активації, відривається від атома і стає вільним. Домішки, що збільшують число вільних електронів, називають донорними або просто донорами. Донори підбирають так, щоб їх енергетичні рівні Wд розташовувалися в забороненій зоні поблизу дна зони провідності основного напівпровідника (рис. 1.4, би). Оскільки концентрація донорів в більшості випадків не перевищує 1015...1017 атомів в 1 см3, що складає
10-4 % атомів основної речовини, та взаємодія між атомами донорів відсутня і їх енергетичні рівні не розбиваються на зони.
Мала енергія активізації домішок, рівна 0,04-0,05 эВ для кремнію і 0,01-0,13 эВ для германію, вже при кімнатній температурі приводить до повної іонізації 5-валентних атомів домішок і появи в зоні провідності вільних електронів. Оскільки в цьому випадку поява вільних електронів в зоні провідності не супроводжується одночасною
Рисунок 1.4 Умовне позначення кристалічної решітки (а) і енергетична діаграма (б) напівпровідника з електронною електропровідністю.
збільшенням дірок у валентній зоні, в такому напівпровіднику концентрація електронів опиняється значно більше концентрації дірок. Дірки в напівпровідниках утворюються тільки в результаті розриву ковалентних зв'язків між атомами основної речовини.
Напівпровідники, в яких концентрація вільних електронів в зоні провідності перевищує концентрацію дірок у валентній зоні, називаються напівпровідниками, з електронною електропровідністю або напівпровідниками n-типу.
Рухомі носії заряду, переважаючі
в напівпровіднику, називають основними.
Відповідно ті носії заряду, які знаходяться
в меншій кількості, називаються
неосновними для
даного типа напівпровідника. У
напівпровіднику n-типу
основними носіями заряду
є електрони, а неосновними - дірки. В
стані теплової рівноваги в такому
напівпровіднику концентрації вільних
електронів (
)
і дірок (
)
визначаються співвідношеннями:
;
.
(1.3)
З урахуванням співвідношень (1.1) виразу (1.3) можна представити в наступному вигляді:
;
(1.4)
.
(1.5)
З цих співвідношень виходить, що для напівпровідника n-типу виконується нерівність .
Атоми 5-валентних домішок, що "втратили" по одному електрону, перетворюються на позитивні іони. На відміну від дірок позитивні іони міцно пов'язані з кристалічною решіткою основного напівпровідника, є нерухомими позитивними зарядами і, отже, не можуть брати безпосередню участь в створенні електричного струму в напівпровіднику.
Якщо вважати, що при кімнатній температурі всі атоми донорних домішок іонізовані ( = Nд, 0), на підставі виразу (1.4) можна записати:
(1.6)
де Nд - концентрація донорних атомів в напівпровіднику.
Із співвідношення (1.6) видно, що в напівпровідниках n-типу рівень Фермі розташовується у верхній половині забороненої зони, і тим ближче до зони провідності, чим більше концентрація донорів. При збільшенні температури рівень Фермі зміщується до середини забороненої зони за рахунок іонізації основних атомів напівпровідника.
Підвищення концентрації електронів в даному напівпровіднику значно знижує його питомий опір. Наприклад, чистий кремній має = 2103 Ом м, а легований фосфором - (0,25...0,4)102 Омм.