6.1.2.2. Домішкові напівпровідники

Поряд з власними напівпровідниками існує широкий клас напівпровідників, у яких концентрація носіїв струму визначається домішками.

Провідність напівпровідників, обумовлена домішками, називається домішковою, а самі напівпровідники – домішковими.

Домішками вважаються як атоми та іони сторонніх хімічних елементів, включених у кристалічну решітку напівпровідника, так і різні дефекти та викривлення решітки: порожні вузли, зсуви при деформаціях кристала, тріщини тощо.

Домішки вносять зміну в електричне поле кристала, що призводить до зміни його енергетичного спектра. За рахунок домішкових атомів у зонній схемі напівпровідника виникають домішкові енергетичні рівні електронів, розташовані в забороненій зоні між валентною зоною і зоною провідності. Домішки по-різному впливають на кількість носіїв струму у напівпровідниках. З одного боку атоми-домішки можуть легко віддавати свої електрони в кристал, спричиняючи електронний n-тип провідності напівпровідника. Такі домішки називаються “донорами” (donare- дарувати).

Найбільш типовими донорами є домішки хімічних елементів V групи таблиці Менделєєва в елементі IV групи.

З іншого боку – атоми-домішки здатні приєднувати до себе електрони, що є у кристалі, створюючи тим самим дірковий р-тип провідності напівпровідника. Такі домішки є “акцепторами” (acceptor – той, що приймає). Найтиповішими акцепторами є домішки елементів III групи в елементі IV групи таблиці Менделєєва. Відповідно, розрізняються домішкові напівпровідники n-типу і напівпровідники р-типу.

Напівпровідники n-типу. Прикладом електронної провідності (провідності n-типу) є провідність типового напівпровідника германія (Ge) – елемента IV групи, в який вводяться п’ятивалентні атоми миш’яку (As). При заміщенні атома Ge виникає домішкова електронна провідність (провідність n-типу), а напівпровідники такого типу називаються напівпровідниками n-типу.

Напівпровідники р-типу. Якщо в кристалічну решітку германія ввести домішковий атом з трьома валентними електронами, наприклад індій (In), то в кристалі виникне діркова провідність (провідність р-типу).

Концентрація n₁ електронів, які потрапили в зону провідності, і концентрація р₁ дірок у валентній зоні для випадків напівпровідників n-типу та напівпровідників р-типу, відповідно, визначається виразами:

,

,

де с_n і с_p – коефіцієнти, які залежать відповідно від концентрації донорів і акцепторів.

Таким чином, вводячи домішки в певній кількості, можна одержати напівпровідники з заданим типом провідності: електронної у випадку донорних домішок і діркової у випадку акцепторних домішок.

Важливо зазначити, що на відміну від металів, де концентрація електронів порівняно велика і не залежить від температури, у напівпровідниках при будь-якому характері їх провідності концентрація носіїв струму дуже сильно залежить від температури. Це створює можливість керувати числом носіїв струму у напівпровідникових приладах.

6.1.2.3. Залежність електропровідності домішкових напівпровідників від температури

На відміну від власної провідності, яка здійснюється одночасно електронами і дірками, домішкова провідність напівпровідників обумовлена в основному носіями одного знака. Ці носії струму, представлені у напівпровіднику в більшості, одержали назву основних носіїв. При невисоких температурах неосновні носії струму істотної ролі в електропровідності не відіграють. При достатньо високій температурі всі носії заряду з домішкових рівнів (наприклад, електрони з донорних рівнів) перейдуть у зону провідності, а отже, концентрація вільних носіїв струму буде постійною аж до температур, при яких помітно проявиться власна провідність.

При подальшому збільшенні температури власна провідність (інтенсивна генерація пар “дірка-електрон”) стає переважаючою і концентрації основних і неосновних носіїв стають практично однаковими, провідність за типом стає змішаною. Отже, в загальному випадку, електропровідність напівпровідника забезпечують два джерела носіїв струму – домішки (доки вони не вичерпані) та атоми решітки кристала. Загальна концентрація вільних носіїв, таким чином, являє собою суму відповідних концентрацій. Відповідно і електропровідність напівпровідника з домішкою одного типу (наприклад, донорною) складається з двох провідностей

Температурну залежність електропровідності зручно подати як графік залежності lns від . Наближений графік залежності lns від для напівпровідника з домішкою має вигляд, представлений на рис. 6.1.14.

Ділянка АВ описує домішкову провідність напівпровідника. Її зростання при підвищенні температури обумовлене в основному зростанням концентрації домішкових носіїв струму. Ділянка ВС відповідає області вичерпання домішок: усі електрони з донорних рівнів перейдуть у зону провідності, а отже, концентрація домішкових електронів буде постійна аж до температури, при якій починає суттєво проявлятись власна провідність напівпровідника – ділянка СD.

Отже, переважно діркова або електронна провідність у напівпровідників зберігається лише до температур переходу їх до власної провідності. Наприклад, для германія температура переходу до власної провідності – близько 100 ⁰С.