Примесные уровни в полупроводниках
Полупроводники любой степени очистки содержат всегда примесные атомы, создающие свои собственные энергетические уровни, получившие название примесных уровней. Они могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах полупроводника на различных расстояниях от вершины валентной зоны и дна зоны проводимости. В ряде случаев примеси вводят сознательно для придания полупроводнику необходимых свойств.
Рассмотрим основные типы примесных уровней.
Предположим, что в кристалле кремния часть атомов кремния замещена атомами пятивалентного фосфора. Кремний имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными силами. Для установления связи с этими соседями атом фосфора расходует четыре валентных электрона (см. рис. 1.1а).
Пятый электрон в образовании связи не участвует. Он продолжает двигаться в поле атомного остатка фосфора. Можно показать, что энергия связи пятого электрона атома фосфора, помещенного в решетку кремния, должна измеряться примерно сотыми долями электрон-вольта, а радиус орбиты этого электрона во много раз превышает постоянную решетки кремния.
Экспериментальное значение энергии ионизации примесных атомов пятивалентных элементов в кремнии равно примерно от 0,04 до 0,05 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в кристалле, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости (рис. 1.1б).
Примесные уровни в полупроводниках
Возбуждение носителей заряда в полупроводнике n-типа
Рис. 1.1. Возбуждение носителей заряда в полупроводнике n-типа: а - Т = О К; б-Т> ОК; в - образование донорного уровня Ед, г - переход электронов в зону проводимости при Т > ОЛ‘ (Ес - дно зоны проводимости;
Ev - потолок валентной зоны)
С точки зрения зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Между заполненной валентной зоной и свободной зоной проводимости располагаются энергетические уровни Ед пятого валентного электрона примесных атомов фосфора (рис. 1.1в). Эти уровни размещаются у дна зоны проводимости, располагаются от нее на расстоянии Ед ~ 0,045 эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней энергии ЕдОш переходят в зону проводимости (рис. 1.1г).
Образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных ионизированных атомах фосфора и в электропроводности не участвуют.
Так как энергия возбуждения примесных электронов Ед значительно меньше энергии возбуждения собственных атомов кремния Eg, то при нагревании будут возбуждаться в первую очередь электроны примесных атомов, вследствие чего их концентрация может во много раз превосходить концентрацию собственных электронов. В этих условиях кремний будет обладать в основном примесной электронной проводимостью.
Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей - донорными уровнями.
Предположим теперь, что в решетке кремния часть атомов кремния замещена атомами трехвалентного бора (рис. 1.2).
Возбуждение носителей заряда в примесных полупроводниках />типа
Рис. 1.2. Возбуждение носителей заряда в примесных полупроводниках />типа: а - Т = О К; б - Т> О К; в - образование акцепторного уровня при Т > О К; г - переход электронов на акцепторные уровни (Ес - дно зоны проводимости; Ev - потолок валентной зоны)
Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона. Его можно “заимствовать” у атома кремния. Расчеты и эксперименты показывают, что энергия ЕА, необходимая для обеспечения такого “заимствования” электрона, имеет тот же порядок величины, что и ЕД.
На рис. 1.2в показана энергетическая диаграмма кремния, содержащего примесь бора. Непосредственно у вершины валентной зоны на расстоянии Еа располагаются незаполненные энергетические уровни атомов бора. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни. Связываясь с атомами бора, они теряют способность перемещаться в решетке кремния и в проводимости не участвуют. Носителями заряда являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.
Поэтому проводимость кремния в этом случае является в основном дырочной.
Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторными примесями, а энергетические уровни этих примесей - акцепторными уровнями.
Донорные и акцепторные уровни располагаются на очень небольшом расстоянии от своих зон (0,01-^0,1 эВ). Поэтому их называют мелкими уровнями.