3.3. Типы полупроводников.

3.3.1. Собственные полупроводники.

Собственный полупроводник ― это чистый полупроводник, без примесей. Рассмотрим кремний, элемент IV группы таблицы Менделеева. Кремний образует алмазоподобную гранецентрированную кубическую решётку, в которой атом, расположенный в узле кристаллической решётки, окружён четырмья другими атомами и связан с ними ковалентной связью. Каждый внешний электрон принадлежит одновременно двум атомам и таким образом во внешней оболочке атомов содержится по восемь электронов (рис. 3.2а). Все электроны внешних оболочек участвуют в образовании ковалентных связей, а свободные носители зарядов, создающие электропроводность, отсутствуют.

Рис.3.2 Модель кристаллической решётки кремния при отсутствии внешнего электрического поля (а) и при приложении внешнего электрического поля (б).

Для того чтобы в полупроводнике появились свободные носители зарядов необходимо ему сообщить дополнительную энергию достаточную для разрыва ковалентной связи и перевода электрона в зону проводимости. Величина этой энергии определяется шириной запрещённой зоны и называется энергией активации.

При разрыве ковалентной связи освободившийся электрон переходит в зону проводимости, а в валентной зоне образуется вакантное место дырка, которая в кристаллической решётке ведёт себя как положительно заряженная частица с массой и зарядом электрона.

При отсутствии внешнего электрического поля дырка и электрон совершают хаотическое движение. Дырка в отличие от электрона не перемещается по кристаллу. За счёт энергии тепловых колебаний решётки электрон соседнего атома может заполнить ковалентную связь в атоме с дыркой. Атом становится нейтральным, а в атоме, потерявшем электрон, образуется дырка (рис.3.2б). Таким образом, создаётся впечатление движения дырок.

Процесс образования свободных электронов проводимости и дырок называется генерацией электронно–дырочных пар.

Одновременно с генерацией пар в полупроводнике происходит обратный процесс возвращения электронов из зоны проводимости в валентную зону с выделением кванта энергии. Этот процесс называется рекомбинацией носителей зарядов.

При действии на полупроводник внешнего электрического поля отрицательно заряженные электроны перемещаются в направлении, противоположном направлению внешнего поля, а дырки ― в направлении внешнего поля.

Проводимость полупроводника возникающая в результате разрыва собственных ковалентных связей, называется собственной проводимостью.

3.3.2. Примесные полупроводники.

Другой более эффективный способ изменения проводимости достигается в примесных полупроводниках за счёт их легирования другими химическими элементами. При легировании в собственный полупроводник вводятся необходимые примеси.

Если атомы примеси замещают атомы полупроводника и занимают их место в узле кристаллической решётки, то такие примеси называются примесями замещения. Если атомы примеси внедряются между узлами кристаллической решётки, то они называются примесями внедрения.

Примеси вызывают образование дополнительных энергетических уровней внутри запрещённой зоны вблизи зоны проводимости или вблизи валентной зоны. Благодаря этому для перехода электрона с дополнительного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на дополнительный уровень требуется энергии меньше, энергии активации собственных полупроводников.

В случае перехода электрона с дополнительного уровня в зону проводимости в ней появляется дополнительный электрон проводимости. При переходе электрона из валентной зоны на дополнительный энергетический уровень в валентной зоне образуется дополнительная дырка проводимости.

Если в кристаллической решётке кремния находится атом примеси ― фосфор (элемент V группы таблицы Д.И. Менделеева) с пятью валентными электронами, то четыре из пяти валентных электрона фосфора будут участвовать в формировании ковалентных связей с соседними атомами основного элемента кремния. Пятый валентный электрон фосфора связан только со своим

атомом, и прочность этой связи намного слабее прочности ковалентной связи.

Для перехода этого электрона в зону проводимости требуется энергия намного меньше энергии запрещённой зоны.

Оторвавшийся от атома фосфора пятый электрон превращается в электрон проводимости. На его месте образуется дырка, которую не могут заполнить электроны других атомов фосфора, т.к. его концентрация в кремнии очень мала и атомы фосфора расположены далеко друг от друга. Дырка остаётся неподвижной, дырочная проводимость в таком полупроводнике отсутствует и его проводимость носит электронный характер.

Примеси, поставляющие электрон в зону проводимости называются донорами.

Такой полупроводник с преобладанием электронной электропроводимостью называется электронным, n ― типа электроны в зоне проводимости ― основные носители заряда, а дырки ― не основные носители заряда.

Если в кристаллической решётке кремния находится атом примеси из III группы элементов периодической системы Д.И. Менделеева, например атом бора, то все три валентных электрона участвуют в образовании ковалентных связей с кремнием, а одна связь кремния остаётся незаполненной. Эту связь можно заполнить электроном соседнего атома кремния, образовав четвёртую ковалентную связь с примесным атомом бора.

Для этого электрон должен получить энергию – ионизации, которая меньше энергии запрещённой зоны. Приняв дополнительный электрон, атом бора ионизируется и становится отрицательным ионом. А в атоме кремния, потерявшем электрон, образуется дырка, которая может быть заполнена электроном соседнего атома кремния с образованием в нём новой дырки. Таким образом, в пределах кристалла кремния будет происходить хаотическое движение дырок. В этом случае проводимость полупроводника носит дырочный характер. Основными носителями заряда будут дырки, а не основными ― электроны. Такой полупроводник называется дырочным р-типа (positiv), а примесь ― акцепторной.

Энергия ионизации атомов примеси значительно меньше ширины запрещённой зоны, т.к. дополнительные энергетические уровни донорных примесей располагаются в запрещённой зоне вблизи зоны проводимости, а акцеоторных примесей ― вблизи валентной зоны (рис.3.3)

Рис.3.3. Энергетическая диаграмма электронного (а) и дырочного (б) полупроводников.

При нагревании в полупроводниках n ― типа в зону проводимости переходит всё большее количество основных носителей зарядов – электронов. При нагревании полупроводников р― типа увеличивается концентрация свободных дырок в валентной зоне проводимости. Дырки становятся основными носителями зарядов.

Введение примесей в полупроводник приводит к появлению примесной проводимости, возникающей в результате ионизации атомов примеси. В отличие от собственной, примесная проводимость, образуется благодаря наличию носителей заряда только одного знака.