I I I I I I лической решетки германия: а — без примесей;

“Се Се Се бе Бе Се ^ — _с донорной примесью мышьяка; в—с акцеп-

| I | I I I торной примесью индия (I—4 — номера элек*

-Се &е—Се—йе—Се—(5е тронов)

—Се Бе—Ее—&—Се—Се—

I 11111 -Ее—бе—Бе—Се—Ое—Се— будет в первую очередь забрасывать

I 11111 электроны из валентной зоны на эти

свободные примесные уровни. Ввиду 0.) ||||| разобщенности атомов примеси элек-

1. 11111 троны, заброшенные на примесн: е ^_1^е I^е ¥ ^В\ Т Т~" УР^0ВНИ> ^не участвуют в электрическом

_^_{е с}'_{е с}'_{е с}'_{е с}'_е £_е_ токе. Такой полупроводник будет иметь

| I,* 1 | | - | концентрацию дырок, большую, чем __Се—лз—се—се—се—се- концентрация электронов, перешедших | 11111 из валентной зоны в зону проводимо- ~^Се — ^с.^е—^Се—^с.^{е с}.^{е с}.^е~ сти, и его называют полупроводником

1. } ' * ' ' р-типа. Примеси, захватывающие элек- _Е троны из валентной зоны полупровод­

н ика, называют акцепторами (рис. 8-1, в).

Основные и неосновные носители заряда. Те носители заряда, концен­трация которых в данном полупровод­нике больше, называются основными, а те, концентрация которых мень-

__{Се Се с}'_{е с}'_е с'_е с'_е_ ше,—неосновными. Так, в полупро-

| | | I I I воднике п-типа электроны являются

основными носителями, а дырки — неосновными. В полупроводнике р-типа основные носители — дырки, а неосновные — электроны. Примес­ная электропроводность для своего появления требует меньших энер­гетических воздействий (сотые или десятые доли электрон-вольта), чем собственная, поэтому она обнаруживается при более низкой температуре, чем собственная электропроводность полупроводника. Рассмотрев энергетическую сторону явлений, перейдем к простран­ственным структурам и реальным примесям, определяющим тот или иной тип электропроводности.

Примеси замещения. Ковалентные структуры типа алмаза. Германий и кремний — элементы четвертой группы таблицы Менделеева — имеют структуру алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. В данной структуре действуют ковалентные связи.

Для выяснения роли атома замещения в решетке германия за­меняют реальную трехмерную решетку плоской сеткой, как показано на рис. 8-2, а. Валентные электроны закреплены за своими атомами и не блуждают по кристаллу. Если на место одного из атомов полу­проводника (в данном случае германия) в какой-либо узел решетки попадает посторонний атом другой химической природы и иной валентности, то система валентных связей в этом месте кристалла

(Оказывается нарушенной, и могут быть два случая (рис. 8-2, б и в).

Рассмотрим кристаллическую решетку германия с примесью (Кышьяка — элемента пятой группы, у которого на внешней орбите -расположено пять электронов (рис. 8-2, б). Попав в узел решетки • германия и связав четыре из своих электронов, такая примесь дает избыточный слабо связанный электрон /, который под влиянием -тепловой энергии может начать беспорядочно блуждать по кри­сталлу, а под воздействием электрического поля он станет напра­вленно перемещаться (электропроводность типа п). Атом примеси, потерявший электрон, представляет собой положительно заряженную частицу, неподвижно закрепленную в данном месте решетки полу­проводника. В рассмотренном случае примесь элемента пятой группы периодической системы будет донорной.

Если в решетке германия находится примесь — элемент третьей группы — индий, имеющий на внешней орбите три валентных элек­трона, то такая примесь создает в решетке дырку (рис. 8-2, в). В дан­ном случае атом примеси может заимствовать электрон у одного из соседних атомов германия и стать отрицательно заряженной части­цей, неподвижно закрепленной в данном месте решетки полупро­водника, а дырка начнет блуждать по кристаллу. При приложении электрического поля, как показано на рис. 8-2, в, электрон будет взят от левого атома германия, который при этом получит положи­тельный заряд и, в свою очередь, захватит электрон от следующего атома, т. е. дырка будет направленно передвигаться справа налево (электропроводность типа р). На самом деле в этом случае движутся только электроны 1, 2, 3, 4-й, но их эстафетное перескакивание с атома на атом можно формально описать как движение одной дырки, перемещающейся в направлении, обратном направлению движения электронов, т. е. в направлении поля. Примесь элемента трегьей группы периодической системы будет акцепторной.

Ковалентные полупроводниковые соеди­нения. В полупроводниковых соединениях, например А^ШВ^У (1п5Ь, ОаБЬ, 1пАз), обычно примесные атомы замещения II группы (Л^, 2п), имеющие меньшую валентность, являются акцепторами, а примесные атомы VI группы (Бе, Те), обладающие большей валент­ностью, — донорами. Примесные атомы IV группы в полупровод­никовых соединениях А^ШВ^У могут быть и донорами и акцепторами, в зависимости от того, какой атом соединения замещается примесным атомом. Если, например, примесный четырехвалентный атом заме­щает в решетке 1пАз трехвалентный атом 1п, то он будет донором, а если пятивалентный атом Ав, то — акцептором. Соотношения между размерами атомов играют большую роль в результатах за­мещения. Так, например, если примесный атом РЬ, имеющий сравни­тельно большие размеры, замещает в решетке 1пБЬ атом 1п, то он ведет себя как донор, а попадая в решетку А1БЬ и занимая место атома БЬ, он является акцептором. Замещение элементов, входящих в состав полупроводниковых соединений, другими из тех же групп периодической системы (III и V) не вызывает заметного изменения удельной проводимости этих полупроводников.

Полупроводники с ионными решетками (СёБ, РЬБ, оксиды). Экспериментальные данные о ионных полу­проводниках показывают, что в оксидах и сульфидах большей частью наблюдается следующая закономерность. Если полупровод­ник может обладать электропроводностью п- и р-типов, как, напри­мер, РЬБ, то избыток серы по отношению к его стехиометрическому составу или примесь кислорода вызывает у него дырочную электро­проводность, и избыток металла — электронную. В полупровод­никах с одним типом примесной электропроводности увеличение числа дырок в полупроводнике р-типа получается за счет избытка кислорода или серы, а увеличение числа электронов в полупровод­нике п-типа — за счет уменьшения числа этих элементов. Из опыта известно, что выдержка Си₂0 (дырочный полупроводник) в печи с кис­лородной средой ведет к увеличению проводимости, а 2пО (электрон­ный полупроводник) — к уменьшению ее.

Примеси внедрения. Структуры типа алмаза. Тип электропроводности определяется размерами и электроотрицатель­ностью примесных атомов, внедряющихся в междоузлия решеток полупроводников IV группы периодической системы. Эксперимент показывает, что, в противоречие с указанным выше правилом ва­лентности, литий (I группа), внедряясь в междоузлия решетки гер­мания, будет донором, а кислород (VI группа) — акцептором. Вне­дрение большого по размерам атома лития в тесные междоузлия решетки германия оказывается возможным только после его иониза­ции вследствие слабой связи валентного электрона, легко отрыва­ющегося от своего атома в среде с большой диэлектрической про­ницаемостью (е_г германия-16). Образовавшийся ион лития меньших размеров может уже внедряться в тесные междоузлия решетки, а освободившийся электрон обусловливает электропроводность п-типа. Внедрение в междоузлия решетки полупроводника атомов кислорода, имеющих сравнительно небольшие размеры и большую электроотрицательность, приводит к захватам электронов из атомов полупроводника, вследствие чего возникает электропроводность р-типа. Если атом йе или под влиянием энергетического воздей­ствия перебрасывается в междоузлие, то образуются два примесных уровня: донорный внедренного атома и акцепторный пустого узла.

Ионные структуры. Атомы металлов могут внедряться в тесные междоузлия ионов решетки лишь в том случае, если они резко уменьшают свои размеры, лишившись внешних электронов, которые обусловливают электропроводность я-типа. Ионы многих металлоидов, имеющие большие радиусы, не могут внедряться в междоузлия ионных соединений.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИПА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ И ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Оба типа электропроводности полупроводников представляют собой реальные физические процессы, в чем легко убедиться при помощи опытов.