Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники примесными. Примесями являются атомы некоторых элементов, избыточные атомы, тепловые и механические дефекты. Введение примеси сильно изменяет его проводимость. Например, введение в германий 0,001 ат% бора изменяет (увеличивает) проводимость в 1000 раз.

Рассмотрим на примере Ge и Si, в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основного атома на единицу. Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (As) один электрон не может образовать ковалентной связи, рис.73. Он легко при тепловых колебаниях решетки становится свободным, при этом дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий возле As перемещаться по решетке не может. Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов As - примесного уровня. Е_D = 0,015 эВ.

Т .к. E _D <<  E, то уже при обычных температурах энергии теплового движения достаточно для переброса электрона с уровня D в зону проводимости; дырки локализованы и в проводимости не участвуют.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, возникает так называемая электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными полупроводниками. Примеси, являющиеся источником электронов - доноры.

Если же ввести атом с тремя валентными электронами, например, бор, наблюдается несколько иная картина, рис.74.

Электрон не достаточный для образования связи с четырьмя ближайшими соседями может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избыточный же отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и по решетке перемещаться не может. Введение трехвалентной примеси приводит к возникновению примесного уровня A (  E _А =0,08 эВ).

Электроны уже при сравнительно низких температурах из валентной зоны переходят на уровень A и, связываясь с атомами бора, теряют способность перемещаться по кристаллу, т.е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются дырки, возникающие в валентной зоне. Возникает дырочная проводимость (проводимость p- типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (p - типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны называются акцепторами. Уровень A - акцепторный уровень.

В отличие от собственной проводимости, примесная проводимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака; электронами – в случае донорной примеси и дырками - в случае акцепторной. Эти носители называются основными . Кроме основных носителей в полупроводниках имеются и не основные носители: в полупроводниках n-типа - дырки, в полупроводниках p-типа электроны.