3. Образование свободных носителей заряда в примесных полупроводниках.

Для получения примесных полупроводников в чистый по­лупроводник специально вводят близкие по валентности к полупроводнику атомы других веществ. Эти атомы замещают в кристаллической решетке атомы полупроводника. Резуль­таты такого замещения зависят от валентности примеси. У пятивалентной примеси (Р, Sb, As и др.) на внешней электронной оболочке находится 5 валентных электронов. Поэтому в кристалле полупроводника четыре валентных электрона такой примеси участвуют в ковалентной связи с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый электрон в связи не участвует. Он оказывается слабо свя­занным со своим атомом и легко отрывается от него, превра­щаясь в свободный электрон даже при низких температурах. При этом атом пятивалентной примеси превращается в не­подвижный положительный ион (рис. 1.10, а).

а)

б)

Рис. 1.10. Кристаллическая структура (а) и зонная диаграм­ма (б) донорного полупроводника

На зонной диаграмме валентный уровень пятивалентной примеси находится в запрещенной зоне недалеко от дна зоны проводимости. При Т=0 К уровень заполнен электронами. Этот уровень дискретен; так как концентрация примеси обыч­но относительно невелика, атомы примеси находятся на до­статочно большом расстоянии друг от друга и между собой не взаимодействуют (рис. 1.10,б). Энергия ионизации при­меси E_Д гораздо меньше энергии ионизации атомов соб­ственно полупроводника E₃. Поэтому при естественных температурах все атомы примеси оказываются ионизованны­ми. При ионизации валентные электроны примеси переходят с уровней примеси в зону проводимости и каждый атом при­меси вносит в полупроводник свободный электрон. Введение примеси в полупроводник не изменяет скорости генерации пар электрон—дырка, т. е. носителей собственного проис­хождения. Поэтому концентрация электронов примесного происхождения суммируется с концентрацией носителей соб­ственного происхождения и суммарная концентрация элек­тронов в полупроводнике становится намного больше кон­центрации дырок. Носители заряда, которых в данном полупроводнике большинство, называют основными носителями, а носители с меньшей концентрацией называют неосновными носите­лями. Примеси, способные отдавать электроны, называют донорными примесями или донорами. Полупроводники, легиро­ванные донорной примесью, называют донорными полупро­водниками или полупроводниками n-типа. Очевидно, что в донорном полупроводнике основные носители — электроны, а неосновные — дырки. При введении в полупроводник атомов трехвалентной примеси (В, In, Ga, Al и др.) лишь три валентных электрона примеси могут участвовать в ковалентной связи с тремя со­седними атомами полупроводника, а одна из ковалентных связей с четвертым соседним атомом оказывается незапол­ненной. Однако уже при достаточно низких температурах эта связь может захватить электрон соседней связи, где по­является положительная дырка, а атом примеси превраща­ется в неподвижный отрицательный ион (рис. 1.11, а).

а)

б)

Рис. 1.11. Кристаллическая структура (а) и зонная диаграм­ма (б) акцепторного полупроводника

На зонной диаграмме валентный уровень трехвалентной примеси находится в запрещенной зоне недалеко от потолка валентной зоны. При Т=0 К этот уровень не заполнен элек­тронами. Ионизация этого уровня осуществляется путем пе­рехода электронов с валентной зоны на примесный уровень, в результате чего в валентной зоне появляются дырки (рис. 1.11,6). Так как энергия ионизации трехвалентной при­меси E_А невелика, то при естественных температурах все атомы примеси оказываются ионизованными. Примеси, способные создавать в полупроводнике допол­нительные дырки, называют акцепторными примесями или просто акцепторами. Соответственно полупроводники, леги­рованные акцепторной примесью, называют акцепторными или полупроводниками р-типа. В акцепторном полупровод­нике основные носители — дырки, неосновные носители — электроны. В общем случае концентрация свободных электронов в полупроводниках обозначается через n [см~³], а дырок — через p [см~³]. В собственных полупроводниках концентра­ции электронов и дырок — соответственно n_i и p_i. В примес­ных полупроводниках для различия основных и неосновных носителей вводятся дополнительные обозначения: в донорных полупроводниках n_n — концентрация основных носите­лей, p_n — неосновных; в акцепторных полупроводниках p_p — концентрация основных носителей, n_p — неосновных.