2.1.3.Электропроводность примесных полупроводников

Полупроводник, имеющий примеси, называют примесным, а его электропроводность, обусловленную наличием примеси, - примесной.

Дефекты в кристалле создают локальные энергетические уровни в запрещенной зоне собственного полупроводника. Рассмотрим образование локальных энергетических уровней в случае примесных атомов замещения.

Рассмотрим кристалл кремния (Si , IV), в который введена примесь фосфора (P ,V). Каждый атом Si связан ковалентными связями с четырьмя другими атомами (рис. 1.2.4). Валентные электроны прочно связаны с кристаллической решеткой и не участвуют в проводимости. Если в этом кристалле атомы Si будут частично замещены атомами P, имеющими пять валентных электронов, то четыре из них идут на образование ковалентной связи с четырьмя соседними атомами, а пятый окажется лишним. Этот лишний электрон слабо удерживается атомом. Его энергия оказывается значительно выше энергии электронов, занятых в ковалентных связях (энергия электрона , участвующего в связи, минимальна), однако эта энергия оказывается несколько ниже энергии электронов, находящихся в зоне проводимости, так как пятый электрон все еще остается связанным со своим атомом Энергетический уровень пятого электрона поэтому располагается в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Это локальный ческий уровень (рис.1.2.5). Зона проводимости кристалла для лишних электронов является областью их ионизации. Энергия , необходимая для перехода электрона с уровня примеси в зону проводимости, меньше, чем энергия перехода электрона из валентной зоны . Благодаря этому при малых температурах концентрация электронов примеси оказывается много больше концентрации собственных носителей. В силу этого доминирующую роль в проводимости будут играть электроны, поэтому их будем называть основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда. Такой полупроводник называют электронным, или n-типа, а примесь, дающую электроны – донорной.

Если четырехвалентный атом Si замещен трехвалентным атомом элемента третьей группы, например, В (Al, Ga), то трех его валентных электронов не хватает для заполнения валентных связей с соседними атомами, и образуется вакантная связь, которая может быть заполнена переходом электрона от соседнего атома (рис.1.2.6). Переход электрона из заполненной связи в вакантную – это переход электрона из заполненной валентной зоны на локальный уровень примеси (рис.1.2.7). Этот переход освобождает один из уровней в верхней части валентной зоны и создает в кристалле дырку. Переход электронов из валентной зоны на уровни примеси требует меньшей энергии, чем переход их в зону проводимости кристалла (). Атомы примеси такого рода называют акцепторными. Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от атома Si к атому акцепторной примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентной связи кремния. В силу этого количество дырок значительно больше количества свободных электронов и поэтому в таком полупроводнике основными носителями заряда будут дырки, а электроны – неосновными носителями. Полупроводник с акцепторной примесью носит название дырочного или p-типа.