4. Вырожденные и невырожденные полупроводники. Компенсированные полупроводники. Предельная растворимость примеси.

К невырожденным полупроводникам относятся собственные и относительно слабо легированные полупроводники с концентрацией примеси см^-3. В таких полупроводниках атомы примеси находятся на достаточно больших расстояниях друг от друга, поэтому они почти не взаимодействуют друг с другом и их уровни дискретны. Особенность невырожденных полупроводников – сильная зависимость концентрации свободных носителей от температуры. При высокой степени легирования см^-3 атомы примеси располагаются близко друг от друга и между ними есть взаимодействие, при этом примесные уровни расщепляются в примесные зоны, которые могут перекрываться либо с зоной проводимости в донорном, либо с валентной зоной в акцепторном полупроводнике.

а) б)

Рис. Зонные диаграммы вырожденных полупроводников n - типа (а) и p-типа (б)

Очевидно, что в этом случае полупроводник обладает высокой электропроводностью при любой температуре, так как в донорном полупроводнике в зоне проводимости с большим числом свободных уровней оказываются электроны. А в акцепторном полупроводнике в валентной зоне с большим числом заполненных уровней оказываются свободные уровни. И в том, и в другом случае, полупроводник вырождается в полуметалл. Отсюда название – вырожденные полупроводники. Сильно легированные полупроводники обозначают n⁺ и p⁺. Из-за невозможности полной очистки полупроводника от примеси, а также в связи с особенностями технологии полупроводниковых приборов, в полупроводнике могут быть как донорные, так и акцепторные примеси одновременно. Так как электроны всегда стремятся занять состояние с наименьшей энергией, а под заполненными донорными уровнями находятся свободные акцепторные уровни, то электроны с донорных уровней как бы проваливаются на акцепторный. При этом ионизуются как акцепторы, так и доноры, но эта взаимная ионизация не приводит к появлению свободных носителей тока.

Рис. Зонная диаграмма взаимной ионизации донорной и акцепторной примеси

Если , то примеси вообще не дают вклада в проводимость полупроводника и концентрация свободных носителей тока такая же, как в беспримесном полупроводнике. Если , то взаимно ионизируется только часть доноров и все акцепторы. Оставшаяся часть примеси ионизуется с созданием в зоне проводимости свободных электронов. То есть такой полупроводник ведёт себя как полупроводник n-типа. Концентрация - называется эффективной концентрацией донорной примеси, а полупроводник с донорной и акцепторными примесями одновременно называется компенсированным полупроводником. Очевидно, что при получаем компенсированный акцепторный полупроводник с эффективной концентрацией акцепторной примеси .

Рис. Зонная диаграмма компенсированного акцепторного полупроводника

Предельная растворимость примеси

Если примесные атомы замещают в кристаллической структуре атомы исходного вещества, то такой кристалл называется твёрдым раствором замещения. Если же примесные атомы находятся между узлами кристаллической решётки, то такой кристалл называют твёрдым раствором внедрения. В полупроводниковом кристалле наличие даже ничтожного количества примеси может изменить электропроводность на несколько порядков. Для увеличения электропроводности вещества необходимо, чтобы атомы примеси образовывали твёрдый раствор замещения, а не внедрения. Но при замещении атомов основного вещества примесными, кристаллическая структура основного материала может изменить свои свойства. Поэтому в кристаллическую структуру данного вещества можно ввести лишь определенное количество примеси, атомы которой ещё замещают атомы основного вещества. Эта максимальная концентрация примеси, которая может быть введена в кристалл в виде твёрдого раствора замещения называется предельной растворимостью примеси. Предельная растворимость примеси зависит как от исходного вещества, так и от вещества примеси. Порядок предельной растворимости: см^-3.