Лекция 3

2. Электронный полупроводник

   1. Определение примесного полупроводника

Примесный – это такой полупроводник, в котором для изменения его электрофизических свойств нарушена структура кристаллической решетки.

Большинство полупроводниковых приборов изготовляют на основе примесных полупроводников. Чтобы превратить собственный полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подобранной химической добавки, т.е. осуществить легирование полупроводника. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то их называют примесями замещения, если в междоузлиях – примесями внедрения. На практике легирование осуществляется при помощи процесса диффузии.

Роль примесей могут играть и всевозможные дефекты структуры. К числу таких дефектов относятся, в первую очередь, вакансии и атомы, расположенные между узлами кристаллической решетки.

В электронике применяются полупроводниковые материалы, у которых концентрация примеси составляет от 10¹⁴ см^-3 до 10¹⁸ см^-3 .

Получение полупроводников с таким малым и строго дозированным содержанием нужной примеси является весьма сложным процессом. При этом исходный полупроводник, к которому добавляется примесь, должен быть очень чистым. Для германия посторонние примеси допускаются в количестве примерно не более 10^-8 %, т.е. не более одного атома на 10 миллиардов атомов германия. А для кремния посторонних примесей допускается еще меньше: они не должны превышать 10^-11 %.

2. Модель ковалентной связи

Рассмотрим, как влияет валентность примесных атомов замещения на характер их поведения в ковалентных полупроводниках типа кремния и германия. Предположим, что в кристаллической решетке кремния часть основных атомов замещена атомами мышьяка As (элемента V подгруппы периодической таблицы Менделеева), у которого на внешней оболочке расположено пять валентных электронов. Встраиваясь в узел решетки, атом мышьяка отдает четыре электрона на образование связей с ближайшими соседями, а пятый электрон оказывается лишним, т.е. не участвует в создании ковалентной связей. Из-за большой диэлектрической проницаемости среды (полупроводника) кулоновское притяжение этого лишнего электрона ядром в значительной мере ослаблено. Поэтому радиус электронной орбиты оказывается большим, охватывает несколько межатомных расстояний. Достаточно небольшого теплового возбуждения, чтобы оторвать избыточный электрон от примесного атома. Для этого необходимо затратить энергию, равную ΔW_Д. Атом примеси, потерявший электрон, превращается в положительно заряженную частицу, неподвижно закрепленную в данном месте решетки (рис. 1).

Таким образом, примеси замещения, валентность которых превышает валентность основных атомов решетки, проявляют свойство доноров. Кроме As мышьяка типичными донорами в кремнии и германии являются P фосфор и Sb сурьма.

Рис.1. Замещение примесными атомами основных атомов решетки

Поскольку избыточный электрон примесного атома движется по круговой орбите в кулоновском поле однократного заряженного положительного иона, донор можно рассматривать как водородоподобный атом, помещенный в среду с диэлектрической проницаемостью ε. Поэтому для оценки энергии ионизации доноров можно использовать формулу:

,

где m^*_n – эффективная масса электрона.

Отсюда

,

где W₀ – энергии ионизации атома водорода.

Для германия ε = 16, для кремния ε = 12, поэтому энергия ионизации примеси в них соответственно в 256 и 144 раз меньше энергии ионизации атома водорода. Поскольку m_n/m₀ несколько меньше единицы, то можно заключить, что энергия ионизации донора в германии составляет 0,05 эВ, а в кремнии – менее 0,10 эВ.

Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам. Поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной.