§4.6. Примесные полупроводники

Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат примес­ные атомы, создающие свои собственные энергетические (примесные) уровни. Они могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах на различных расстояниях от вершины валентной зоны и дна зоны проводимости. В ряде случаев примеси вводят сознательно для придания полупроводнику необходимых свойств.

Донорные уровни. Рассмотрим герма­ний, который имеет решетку типа алмаза. Если в кристалле германия часть его атомов замещена атомами пятивалентного мышьяка. (рис 4.11 а), то пятый электрон мышьяка не участвует в образовании связи. Он продолжает двигаться в поле ато­ма мышьяка, ослабленного в германии в 16 раз. Пропорционально увеличивается радиус орбиты электрона и уменьшается энергия связи с ато­мом мышьяка в 16²= 256 раз, становясь равной Е_д  0,01 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывает­ся от атома и может свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь в электрон проводимости (рис. 4.11, б).

Рисунок 4.11

На рис. 4.11, в показана зонная структура германия, содержащего примесь мышьяка. Между заполненной валентной зоной и свободной зо­ной проводимости располагаются энергетические уровни пятого элек­трона атомов мышьяка. Они размещаются вблизи дна зоны проводимости, отстоя от нее на расстоянии E_Д ≈ 0,01 эВ. При сообщении этим электронам энергии E_Д они переходят в зону проводимости (рис. 4.11, г). Обра­зующиеся при этом положительные заряды («дырки») локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.

Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, на­зываются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками п-типа или донорными полупроводниками.

Акцепторные уровни. Если в решетке герма­ния часть его атомов замещена атомами трехвалентного индия (рис. 4.12, а), то для образования связей с четырьмя ближайшими со­седями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заим­ствовать» у атома германия. Для этого требует­ся энергия порядка Е_а ≈ 0,01 эВ. Разорванная связь представляет собой дырку (рис. 4.12, б), так как она отвечает образованию в валент­ной зоне германия вакантного состояния.

На рис. 4.12, в показана зонная структура германия, содержащего примесь индия. Вблизи вершины валентной зоны на расстоянии Е_а ≈ 0,01 эВ располагаются незаполненные уровни атомов индия. Уже при относительно невысоких температурах электроны из валент­ной зоны переходят на примесные уровни (рис. 4.12, г). Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решетке гер­мания и в проводимости не участвуют. Носителями заряда являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Рисунок 4.12

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупро­водника, называют акцепторными, а энергетические уровни этих при­месей— акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие такие примеси, называются дырочными полупроводниками, или полупровод­никами р-типа, или акцепторными полупроводниками