1.1.2 Домішкова провідність напівпровідників

Наявність домішок у структурі напівпровідника істотно змінюють його провідність. Залежно від того, атоми якої хімічної речовини будуть введені в кристал, можна отримати перевагу збиткових електронів або дірок, а також отримати напівпровідник з електронною або дірковою провідністю.

Провідність, яка спричинена присутністю в кристалі напівпровідника домішок із атомів з іншою валентністю, називають домішковою. Домішки, які зумовлюють у напівпровіднику збільшення вільних електронів, називають донорними, а ті, які спричинюють збільшення дірок, – акцепторними.

1.1.2.1 Електронна провідність напівпровідників

Цей різновид провідності здійснюється завдяки введенню у

4-валентний НП (германій або кремній) 5-валентних атомів домішок (фосфор Р, сурма Sb, або мишяк As), які називаються донорними домішками (лат. donar – той, що віддає). Схема кристалічної решітки з донорними домішками показана на рисунку 1.4а, відповідна енергетична діаграма – на рисунку 1.4б.

Рисунок 1.4 – Механізм електронної провідності НП: а – схема кристалічної решітки з донорними домішковими атомами; б – енергетична діаграма

5-ти валентний електрон атома домішок, який не бере участі у ковалентних звязках, має дуже незначну ( порівняно з ковалентними електронами) енергію звязку з ядром атома.

Під дією незначної енергії, яку називають енергією активації донорів W_Д (її величина невелика порівняно з шириною забороненої зони, як показано на енергетичній діаграмі, рисунок 1.4б), електрон стає вільним. Атоми домішок перетворюються на позитивні іони. Ці іони нерухомі, міцно звязані з кристалічною решіткою і не беруть участі у створені електричного струму в НП. Завдяки малій енергії активації (W_Д=0,16 еВ) для кремнію з домішками, W_Д=(0,01……0,13) еВ для германію з домішками навіть при кімнатній температурі відбувається повна іонізація 5-валентних атомів, яка супроводжується заповненням зони провідності вільними електронами (рисунок 1.4б). Вільні електрони у ЗП можуть зявлятися і внаслідок дії механізму власної провідності, як у бездомішкових НП. Але ймовірність цього набагато нижча, ніж імовірність процесу активізації домішок. Тому у ЗП зосереджується набагато більше вільних електронів, ніж є дірок у ВЗ, оскільки іонізація донорного атома не супроводжується утворенням дірки.

Отже, в НП з донорними домішками концентрація вільних електронів набагато перевищує концентрацію дірок. Символічно це записується так: у стані термодинамічної рівноваги n_n0>>p_n0, де n_n0 – рівноважна концентрація електронів у НП донорного типу (n-типу); p_n0 – рівноважна концентрація дірок у НП (p-типу). Електрони є основними носіями заряду, а дірки – неосновними.

Концентрація електронів у НП n-типу може бути визначена за формулою

, (1.2)

де N_Д – концентрація атомів донорних домішок;

n_i – концентрація електронів унаслідок дії власної провідності НП.

Рівень Фермі у донорному НП зміщується у верхню половину ЗЗ. Його положення залежить від концентрації донорів N_Д (рівень Фермі зі збільшенням N_Д наближається до ЗП).