Примесная электропроводность полупроводников

Если в полупроводник ввести примесь другого вещества, то дополнительно к собственной появляется еще и примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной.

При введении в монокристалл четырехвалентного кремния атома пятивалентного элемента, например фосфора, четыре из пяти валентных электронов фосфора вступают в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния. Пятый же электрон фосфора, который слабо связан с ядром, легко отрывается фононом и становится свободным. В результате к собственным свободным электронам кремния добавляются электроны примесного происхождения. Проводимость при этом становится преимущественно электронной. Такие полупроводники называют электронными или полупроводниками n-типа. Механизм образования такого полупроводника показан на рис. 5, а.

Примесь, атомы которой легко отдают электроны, называют донорной (донор означает дающий, жертвующий). Сами же атомы донорной примеси превращаются в неподвижные ионы с единичным положительным зарядом, то есть ионизируются.

а

б

Рис. 5. Образование примесных полупроводников n-типа:

а – модель ковалентной связи; б – зонная модель.

С точки зрения зонной модели введение в кремниевый полупроводник донорной примеси приводит к появлению в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости дополнительных энергетических уровней, на которых находятся слабо связанные с ядром валентные электроны. Поскольку примесных атомов в полупроводнике сравнительно мало, а расстояние между ними достаточно велико, они практически не взаимодействуют между собой. Поэтому примесные уровни не расщепляются в зону и показываются на зонной диаграмме как один уровень (рис. 5, б). Разность энергий между примесным уровнем и уровнем дна зоны проводимости настолько мала, что уже при комнатной температуре все электроны с примесных уровней переходят в зону проводимости. Эти электроны добавляются к собственным, возникающим в процессе термогенерации, и полупроводник становится электронным. Концентрация электронов и дырок в таком полупроводнике обозначается с индексами «n» (n – negative), и их количество в отличие от собственного полупроводника является неодинаковым. Так, концентрация электронов становится больше на величину концентрации донорной примеси , а дырок в n-полупроводнике оказывается меньше, чем в собственном:

,

.

Последнее неравенство объясняется тем, что в электронном полупроводнике свободных электронов гораздо больше, чем в собственном, а значит, происходит больше актов рекомбинации. Электроны в полупроводнике n-типа принято называть основными носителями заряда, а дырки – неосновными.

Если в монокристалл кремния вводить атомы трехвалентного элемента, например бора, то три его валентных электрона вступают в связь с тремя валентными электронами кремния. Для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки атому бора не хватает одного электрона, и он забирает его у соседнего атома кремния. Сам атом бора превращается в неподвижный ион с единичным отрицательным зарядом (см. рис. 6, а). Такие примеси называют акцепторными, то есть принимающими электрон. У соседнего атома кремния в этом случае появляется незаполненная валентная связь, или дырка. Эти дырки добавляются к дыркам собственного полупроводника.

а

б

Рис. 6. Образование примесных полупроводников р-типа:

а – модель ковалентной связи; б – зонная модель.

С точки зрения зонной модели полупроводника атомы акцепторных примесей создают дополнительные свободные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, создавая в ней дополнительные дырки (см. рис. 6, б). Полупроводник становится дырочным или полупроводником р-типа. Концентрации электронов и дырок в таком полупроводнике обозначают с индексами «р» (р – positive). Дырок в валентной зоне становится больше на величину концентрации акцепторной примеси , а количество электронов уменьшается в результате рекомбинаций:

,

.