Примесные полупроводники

Электропроводность чистых полупроводников очень мала и сильно зависит от температуры. Поэтому чистые полупроводники в технике не применяют, а применяют так называемые примесные полупроводники.

Введение в чистый полупроводник небольших количеств примесей приводит к резкому изменению характера электропроводности. Если ввести в кремний или германий атомы примесей элементов V группы таблицы Менделеева (мышьяк, фосфор, сурьму), которые имеют на внешней электронной оболочке пять электронов, то один из электронов не образует связи с соседними атомами полупроводника и оказывается свободным. На энергетической диаграмме этому электрону соответствует локальный энергетический уровень, расположенный в верхней части запрещенной зоны (рис. 1.1, б) и заполненный при температуре абсолютного нуля. Такие примеси называют донорными.

Близость локальных уровней к зоне проводимости приводит к тому, что уже при комнатной температуре все атомы примеси ионизируются и отдают свободный электрон в зону проводимости. Поэтому концентрация N_Д введенной примеси определяет концентрацию свободных электронов n_в в полупроводнике и проводимость полупроводника. Ионизация атомов примеси при образовании свободных электронов не приводит к увеличению концентрации дырок, так как атомы примеси удалены друг от друга и обмен электронами между атомами примеси невозможен. В данном случае электропроводность определяется в основном электронами и электроны называют основными носителями (их концентрацию обозначают n_n), а дырки, образовавшиеся в результате генерации в собственном полупроводнике – неосновными (их концентрация p_n). Такой полупроводник называю полупроводником n-типа. Для него справедливы соотношения

n_n >> p_n ; n_n ≈ N_Д

При введении в кремний или германий примесей III группы элементов таблицы Менделеева (алюминия, бора, индия), называемых акцепторными, в кристаллической решетке (рис. 1.1, в) в месте расположения атома примеси появляется дополнительный уровень, расположенный вблизи валентной зоны и незаполненный при температуре абсолютного нуля. Уже при комнатной температуре все атомы примеси захватывают электроны у соседних атомов полупроводника образуя прочные ковалентные связи с атомами полупроводника. При этом образуется отрицательный ион примеси, а на месте разорванной связи полупроводника – дырка (рис. 1.1, в). Локальные энергетические уровни примесей расположены вблизи валентной зоны и легко берут на себя электроны из этой зоны, приводя к образованию дырок. Основными носителями при этом становятся дырки, а неосновными – электроны. Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником p-типа, для которого выполняются соотношения

p_p >> n_p ; p_p ≈ N_a,

где N_a – концентрация акцепторных примесей; p_p – концентрация дырок в примесном полупроводнике p-типа; n_p - концентрация электронов в примесном полупроводнике p-типа.

Таким образом, в примесных полупроводниках концентрация основных носителей заряда (n_n – электронного полупроводника и p_p – дырочного полупроводника) создаются за счет внесения примеси, а концентрации неосновных носителей заряда (p_n, n_p – соответственно электронного и дырочного полупроводников) – за счет термогенерации носителей заряда, связанной с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Необходимая примесь вносится в таком количестве, при котором концентрация основных носителей на два-три порядка превышает концентрацию неосновных носителей заряда. В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с чистым полупроводником в десятки и сотни тысяч раз.

Характерной особенностью примесных полупроводников является то, что произведение концентраций основных и неосновных носителей заряда при данной температуре является постоянной величиной и определяется соотношением n_n p_n ­= p_p n_p = p_i n_i = A²e^{- ΔW/kT},

где А – коэффициент, числовое значение которого зависит от рода кристалла; k- постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

Зависимость концентрации носителей заряда от температуры накладывает ограничения на температурный диапазон применения полупроводниковых приборов.

При температурах, превышающих верхний температурный предел, причиной нарушения условия n_n >> p_n и p_p >> n_p является повышение концентраций неосновных носителей заряда, создаваемых в кристалле при термогенерации. При этом может оказаться, что концентрация носителей заряда и электрическая проводимость полупроводника будет определяться не концентрацией введенной примеси, а концентрацией собственных носителей заряда (вырождение примесного полупроводника в собственный полупроводник). Верхний температурный предел зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника и составляет для германия 75 - 85˚С, а для кремния 150 - 170˚С. В этом проявляется преимущество кремния как материала для полупроводниковых приборов.

При температурах ниже рабочего диапазона основную роль играет понижение концентрации основных носителей заряда (и уменьшение электрической проводимости) вследствие уменьшения количества ионизированных атомов. Нижний температурный предел работы полупроводниковых приборов составляет от –55 до -60˚С.