1.1.1.3. Акцепторные полупроводники р-типа

Трехвалентная примесь называется акцепторной. Добавление акцепторов собственный полупроводник преобразует его в акцепторный полупроводник р-типа с содержанием основных носителей заряда – дырок с концентрацией р_р. Подчеркнем, что в этом полупроводнике имеются и неосновные носители заряда – электроны со значительно меньшей концентрацией n_p (n_p << р_р).

При легировании кремния или германия атомами элементов III группы (алюминий, бор, индий), атомы примеси внедряются в узлы кристаллической решетки. При этом этим атомам энергетически выгодно захватить электрон от соседнего собственного атома Si (рис. 1.1, в, переход III). Поэтому уже при комнатной температуре все атомы примеси (концентрацией N_А) захватывают электроны (переход III) у соседних собственных атомов, образуя ковалентные связи с атомами полупроводника. При этом захвате атом примеси ионизуется, так что образуется неподвижный отрицательный ион акцепторной примеси, а на месте разорванной связи атома кремния (в соседнем узле) – дырка, которая может передвигаться по кристаллу (рис. 1.1, в, переход III). При полной ионизации примесных центров (вплоть до температуры Т_s) концентрация основных носителей заряда – дырок: р_р = N_А.

В терминах зонной теории говорится, что в области запрещенной зоны из-за введения атомов акцепторной примеси появляется дополнительный уровень Е_А (рис. 1.1, е), расположенный вблизи потолка валентной зоны Е_в.

При температуре абсолютного нуля энергетический уровень Е_А не заполнен электронами. Фактически, при Т = 0 К, все примесные атомы не ионизированы (т.е. они не захватили электроны из соседних связей), а, значит, свободных дырок нет, и проводимость – отсутствует!

Энергетическая разница E_А между уровнями Е_А и Е_в, называемая энергией активации E_А акцепторной примеси (E_А = Е_АЕ_в), очень мала (E_з>> E_А 0,01 эВ), поэтому уже при комнатной температуре все атомы примеси ионизируются, забирая по одному свободному электрону из валентной зоны.

Другими словами, локальные энергетические уровни акцепторной примеси расположены вблизи потолка валентной зоны, что реально обусловлено относительно малой энергией ионизации акцепторной примесиE_А. Поэтому энергетически выгоден процесс, при котором электрон, отрываясь от собственного атома, например кремния, захватывается акцепторным атомом (рис. 1.1, е, переход III). Отрыв электронов от собственных атомов приводит к образованию дырок. Основными носителями в этом полупроводнике являются дырки, а неосновными – электроны.

Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником p-типа (акцепторным), для которого выполняются соотношения p_p >> n_p, а при комнатной температуре (Т > T_s)  p_p ≈ N_А.

Таким образом, в примесных полупроводниках (n- или p-типа) концентрация основных носителей заряда (n_n в электронном полупроводнике, p_p в дырочном полупроводнике) создается за счет ионизации внедренной примеси, а концентрация неосновных носителей заряда (p_n, n_p – соответственно электронного и дырочного полупроводников) – за счет термогенерации (рис. 1.1) собственных носителей заряда, связанной с ионизацией собственных атомов, например, германия или кремния. Обычно концентрация основных носителей на два-три порядка и более превышает концентрацию неосновных носителей заряда.