1.Доноры и акцепторы в кремнии и германии

Если атом примеси отдаёт или принимает только один электрон как примесные атомы 5 и3 групп периодической системы, то примесь называется простым донором или акцептором соответственно. Атом примеси, который может принимать или отдавать два и более электрона, как примесные атомы 1, 2 групп называются сложными донорами, 6, 7 групп для кремния и германия называются сложными акцепторами. Введение в кремний и германий простых доноров или акцепторов приводит к возникновению в запрещённой зоне мелких примесных уровней, расположенных приблизительно возле дна зоны проводимости, – это донорный уровень и вблизи потолка валентной зоны – это акцепторный уровень. Энергии ионизации таких уровней малы и они становятся ионизированными при очень низких температурах, поэтому такие примеси и их концентрация определяет в основном тип и величину электропроводности полупроводника.

Сложные акцепторы и доноры создают в запрещённой зоне полупроводника несколько уровней. Некоторые из создаваемых такими примесями энергетических уровней располагаются в запрещённой зоне далеко от её границ и называются глубокими. Энергия ионизации глубоких уровней может быть близка к значению ширины запрещённой зоны. Такие уровни являются ловушками для носителей заряда и, как правило, их наличие крайне нежелательно в полупроводнике.

2. Собственные и примесные полупроводники

Различают примесные и собственные полупроводники, собственные, т.е. беспримесные полупроводники. В собственных полупроводниках переход электронов в зону проводимости осуществляется только из валентной зоны, поскольку в запрещённой зоне отсутствуют разрешённые уровни, вносимые примесными атомами. Носителями заряда в таком полупроводнике являются электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Количество носителей в обеих зонах совпадает. Собственные свойства полупроводников – это свойства собственных полупроводников. Определяются они химическим составом, типом межатомного взаимодействия и уровнем структурного совершенства. Собственные свойства полупроводников не зависят от технологических приёмов их получения. К собственным свойствам относятся, например, такие показатели, как концентрация собственных носителей, их подвижность, ширина запрещённой зоны и те показатели, которые, так или иначе, зависят от перечисленных. Технология полупроводниковых материалов требует использования чистых исходных материалов. Однако, очистив полупроводниковый материал до необходимого уровня, далее его снова начинают "загрязнять", поскольку основным способом придания полупроводниковым материалам необходимых свойств является введение в них тех или иных примесей.

Преднамеренное введение примеси называется легированием, соответствующие примеси – легирующие, а полупроводник – легированным или примесным. Кроме легирующих примесей существуют случайные или фоновые примеси, непреднамеренно вводимые в полупроводник в процессе его производства и обработки. Типичный пример – это кислород в кремнии, который попадает в кристалл при его выращивании из расплава. Кислород попадает в расплав, в результате его взаимодействия с кварцевым тиглем. Фоновые примеси, как правило, ухудшают основные свойства материала и затрудняют управление ими. 3. Легирующие примеси делятся на электрически активные и электрически неактивные примеси. Характер электрической активности примеси зависит от соотношения валентности примесей полупроводника. Исходя из этого, легирующие примеси делятся на: Неизовалентные, т.е. примеси, валентность которых отличается от валентности замещаемых ими атомов основного полупроводника. Они вносят разрешённые уровни в запрещённую зону основного полупроводника. Изовалентные, т.е. такие, валентность которых совпадает с валентностью замещаемых атомов основного полупроводника. В состоянии замещения они не создают разрешённых уровней и в запрещённой зоне.

Полупроводник, в котором основным типом носителей являются электроны, называется n-типа, донорным или электронным, если основным типом являются дырки – полупроводник называется p-типа, акцепторным или дырочным. Донорными примесями типа замещения являются такие, валентность которых больше валентности замещаемого атома, акцепторными – валентность которого меньше замещаемого атома. Примеси внедрения являются в полупроводниках или нейтральными или донорными. Поскольку ионизация акцептора связана с присоединением электрона и увеличением эффективного радиуса атома, то примесь внедрения в виде акцептора будет вызывать большие упругие локальные искажения решётки полупроводника. Поэтому примеси внедрения в роли акцептора выступают крайне редко. Поведение легирующих примесей даже в элементарных полупроводниках не всегда бывают однозначным, поскольку определяется большим числом факторов: природой атомов примеси, положением, занимаемым атомом примеси, степенью её ионизации, отклонением состава от стехиометрического, взаимодействию примесей, дефектами и другими примесями и т.д. Понимание роли этих факторов является необходимым условием обоснованного выбора легирующей примеси, её концентрации и способа введения. В абсолютном большинстве случаев легирующая примесь обеспечивает создание необходимых свойств полупроводника только в ионизированном виде. Легирование в количествах, превышающих предел растворимости и вызывающих образование дополнительных фаз, как правило, отрицательно влияет на основные свойства полупроводника.