1.1.1.2. Донорные полупроводники n-типа

Легирование  технологическая операция, результатом которой является замещение собственных атомов, например, кремния или германия, внедрением примесных атомов (доноров или акцепторов) в область узлов кристаллической решетки.

Пятивалентная примесь называется донорной. Введение (легирование) в собственный полупроводник необходимой примеси приводит к изменению характера электропроводности.

Если ввести в кремний или германий атомы элементов V группы (мышьяк, фосфор, сурьму), которые имеют на внешней электронной оболочке пять электронов, то один из этих электронов образует слабую связь с соседними атомами полупроводника. Поэтому атом примеси ионизуется (рис. 1.1, б, д, переход II) с большей вероятностью, чем собственный атом. На энергетической диаграмме этому атому примеси соответствует локальный энергетический уровень Е_д, расположенный у дна зоны проводимости Е_пр в верхней части запрещенной зоны (рис. 1.1, д).

Такие примесные атомы, и соответственно, энергетические уровни, называют донорными. Поэтому в целом полупроводник называют донорным.

Реально, при Т = 0 К все пять электронов находятся у примесного атома; в терминах зонной теории говорится, что при температуре абсолютного нуля данный энергетический уровень заполнен электронами. Значит, свободных электронов при Т = 0 К нет, и проводимость кристалла отсутствует!

При повышении температуры выше 0 К атомы примеси доноров постепенно ионизируются: чем выше температура, тем больше вероятность ионизации атомов доноров. Все доноры ионизируются полностью вплоть до температуры ионизации примесей T_s. По мере возрастания температуры, и, следовательно, увеличения вероятности появления избыточных свободных носителей заряда, увеличивается концентрация:

 электронов (рис. 1.1, б, переход II) в донорном полупроводнике (n-тип, примесь  пятивалентная);

- собственных носителей заряда (электронов и дырок).

Ионизируясь, атом примеси превращается в неподвижный положительный ион донорной примеси. Соответственно, при повышении температуры по мере ионизации примесных атомов положительные ионы доноров накапливаются в узлах решетки (рис. 1.1, б, в).

Энергетическая разница E_Д между уровнями Е_пр и Е_Д, называемая энергией активации E_Д донорной примеси (E_Д = Е_прЕ_Д), очень мала (E_Д 0,01 эВ << E_з), поэтому по мере возрастания температуры атомы примеси легко ионизуются, а при комнатной температуре уже все атомы примеси ионизированы. В терминах зонной теории говорится, что каждый примесный атом отдает по одному свободному электрону в зону проводимости.

Концентрация N_Д введенной примеси доноров определяет концентрацию свободных электронов n_св в полупроводнике и его проводимость. В данном случае электропроводность определяется, в основном, электронами, которые являются основными носителями с концентрацией n_n. При полной ионизации всех примесных центров имеем: n_n = N_Д.

Полупроводник с донорными примесями называют полупроводником n-типа (донорным). Подчеркнем, что в этом полупроводнике имеются и дырки (неосновные носители, их концентрация p_n), образовавшиеся в результате генерации собственных атомов (германия, кремния). При комнатных температурах для полупроводника справедливы соотношения n_n >> p_n; n_n ≈ N_Д.