6.4. Примесные полупроводники

 

Совершенная кристаллическая решетка – это определенная идеализация. В действительности кристалл содержит целый ряд самых различных дефектов. Первым таким дефектом является граница кристалла. Здесь порядок упаковки атомов нарушается, что приводит не только к искажению энергетических зон, но и к появлению целой системы дискретных уровней, лежащих в пределах запрещенной зоны. Это, так называемые поверхностные уровни или поверхностные состояния.

Из объемных дефектов следует отметить точечные и линейные нарушения периодичности (дислокации), пустые узлы решетки, атомные остовы смещенные в междуузлия и, наконец, чужеродные атомы, расположенные как в узлах, так и в междуузлиях.

Свободные носители заряда (СНЗ) так или иначе, взаимодействуют с дефектами решетки, так что роль последних в физических свойствах кристалла может быть весьма существенной. Помимо существенного рассеяния СНЗ на дефектах может происходить также захват носителей некоторыми дефектами. Такие дефекты получили название центров захвата или ловушек. Некоторые дефекты способны аккумулировать энергию и затем отдавать ее в виде кванта электромагнитного излучения. Такие дефекты получили название центров люминесценции. Ряд дефектов способен стимулировать исчезновение СНЗ противоположных знаков. Такие дефекты называются центрами рекомбинации. Наконец, некоторые дефекты инициируют генерацию СНЗ того или иного типа.

Введение понятий различного рода центров есть тот шаг к усложнению физической модели твердого тела, который необходим для более полного охвата процессов в реальных объектах. Ограничимся учетом примесей, инициирующих генерацию СНЗ, так как этого будет достаточно для понимания всех основных свойств полупроводника.

К примесям указанного рода относятся элементы, валентность которых на единицу больше или на единицу меньше валентности основного вещества. По отношению к германию и кремнию, как основным веществам, такими являются элементы 5 и 3 групп. На рис.6.3 представлена энергетическая диаграмма примесных германия и кремния  с указанием значений энергии (в эВ) некоторых примесных состояний электронов, отсчитанных от краев соответствующих зон. Электроны, с уровней близко расположенных от дна зоны проводимости, легко переходят в эту зону при термическом возбуждении. В результате образуется электрон проводимости и положительно заряженный ион примеси. Примесь, отдающая электрон в зону проводимости и, тем самым, увеличивающая концентрацию электронов проводимости, называется донорной примесью. Примесь, захватывающая электрон из валентной зоны при его термическом возбуждении, называется акцепторной примесью. При захвате электрона акцептор превращается в отрицательно заряженный ион, а в валентной зоне появляется незанятое (вакантное) состояние. Акцепторная примесь инициирует генерацию СНЗ, называемых дырками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как говорилось, при Т  0 К имеется определенная вероятность термического возбуждения электрона и перехода его из состояния, соответствующего валентной зоне, в одно из состояний, соответствующих зоне проводимости (см. рис.6.4). Точно также возможен переход электрона в зону проводимости с донорного уровня или переход электрона из валентной зоны на уровень акцептора.

Электрон, находящийся в одном из состояний соответствующих зоне проводимости, проявляет себя как СНЗ, поскольку его состояние может быть изменено сколь угодно малым электрическим полем. Такие электроны принято называть электронами проводимости. Однако проводимость полупроводников обусловливается не только электронами проводимости.

Система электронов валентной зоны, когда из этой системы удален один электрон (например, в зону проводимости) проявляет себя как один свободный носитель заряда, причем довольно своеобразный. Так проявляет себя не один какой-то электрон валентной зоны, а именно вся система электронов этой зоны. Своеобразие этого СНЗ заключается, прежде всего, в том, что число таких зарядов тем больше, чем больше электронов удалено из валентной зоны. Получается, что удаление электрона не уменьшает способности оставшейся совокупности электронов переносить электрические заряды, а, напротив, увеличивает ее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Действительно, если все состояния в валентной зоне заняты, то поле ничего не может изменить, и электроны вообще не проявляют себя как СНЗ. Последних просто нет. Электропроводность равна нулю. Но если в валентной зоне имеется незанятое состояние, то электрическое поле уже будет изменять состояние оставшейся системы электронов. Появится электропроводность. Второе своеобразие заключается в том, что этот свободный носитель имеет заряд, знак которого противоположен знаку электрона.