1.6.3. Примесные полупроводники

Примесный полупроводник - это полупроводник, электрофизические свойства которого определяются, в основном, примесями других химических элементов. Процесс введения примесей в полупроводник называется легированиемполупроводника, а сами примеси называют легирующими. Для равномерного распределения легирующей примеси в объеме полупроводника легирование осуществляется в процессе выращивания монокристалла полупроводника из жидкой или газообразной фазы. Локальное легирование части объема полупроводника, например, приповерхностной области, производится методом диффузии при сильном нагреве полупроводника или низкотемпературными методами ионного легирования.

Роль примесей могут играть и всевозможные дефекты структуры кристаллической решетки полупроводника, такие как вакансии, междуузельные атомы, дислокации.

При малой концентрации примесей (10²¹...10²³ м^-3) примесные атомы создают дополнительные дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника. Такой полупроводник называетсяневырожденным.Повышение концентрации примесных атомов в полупроводнике до 10²⁴...10²⁵ м^-3сопровождается появлением в запрещенной зоне полупроводника вместо дискретных уровней зон примесных уровней. Такие полупроводники называютвырожденными.

Различают два основных вида примесей, которые используются для преднамеренного легирования полупроводников и создающих преимущественно электронный или дырочный тип проводимости. Примеси, введение которых в полупроводник создает электронный тип проводимости, называются донорными.Примесь, создающая дырочную проводимость, называетсяакцепторной.

Электронные полупроводники. Полупроводник, легированный донорной примесью, называют полупроводником электронного типа (n-типа) проводимости или электронным полупроводником.

Электронная проводимость появляется в результате легирования полупроводника элементами, имеющими большую валентность, чем валентность атомов из которых состоит полупроводник. Например, для Si и Ge, являющимися элементами 4 группы таблицы Менделеева, в качестве донорных примесей применяют элементы 5 группы, как правило это ₁₅P,₃₅As,₅₁Sb.

Замещая узлы кристаллической решетки полупроводника, атомы донорной примеси отдают часть своих валентных электронов для создания ковалентных связей с атомами основного вещества и участвуют в создании дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, как показано на рис. 1.24.

При образовании химической связи с атомом кремния один из пяти валентных электронов атома примеси оказывается "лишним" и переходит на стационарную орбиту вблизи атома примеси (рис. 1.24, а). У этого электрона существует слабая электростатическая связь с примесным атомом за счет кулоновского взаимодействия. Энергия кулоновской связиW_dсоставляет всего 0,03...0,05 эВ. Поэтому для перехода "лишнего" электрона в свободное состояние достаточно небольшой энергии, которую электрон может получить за счет тепловых колебаний кристаллической решетки. В результате атом донорной примеси становится положительно заряженным ионом.

Рассмотрим энергетическую зонную диаграмму полупроводника с электронным типом проводимости, изображенную на рис. 1.24, б. Как уже отмечалось, для того, чтобы пятый валентный электрон стал свободным, необходимо затратить энергию значительно меньшую, чем для разрыва ковалентной связи. В соответствии с этим энергетический уровень пятого валентного электрона на зонной диаграмме должен располагаться в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости, образуя дополнительный энергетический уровень донорной примеси с энергиейW_d.

Дырочные полупроводники Полупроводник, легированный акцепторной примесью, называют полупроводником дырочного типа (р-типа) проводимости илидырочным полупроводником.

Дырочная проводимость создается в результате легирования полупроводника элементами, имеющими меньшую валентность, чем валентность атомов, из которых состоит полупроводник. Например, для Si и Ge, являющимися элементами четвертой группы таблицы Менделеева, в качестве акцепторных примесей применяют элементы третьей группы, как правило это ₅B,₁₃Al,₃₁Ga,₄₉In.

Замещая узлы кристаллической решетки полупроводника, атомы акцепторной примеси захватывают валентный электрон от соседнего атома кремния для создания ковалентных связей с атомами основного вещества, превращаясь при этом в отрицательно заряженные ионы, и участвуют в создании дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, как показано на рис. 1.25.

Механизм появления дырочной проводимости иллюстрируется на рис. 1.25, а. При образовании химической ковалентной связи с атомами Si или Ge все три валентных электрона атома акцепторной примеси участвуют в образовании ковалентных связей. Для создания четвертой (незавершенной) химической связи может быть захвачен электрон из ковалентных связей одного из ближайших соседних атомов кремния. У этого атома, в свою очередь, появляется незавершенная связь с соседним атомом кремния, которая называется дыркой.

У дырки существует слабая электростатическая связь с атомом кремния. Энергия этой кулоновской связи W_a, как и в случае электронных полупроводников, невелика и составляет всего 0,01...0,07 эВ. Поэтому для захвата дыркой электрона из ковалентной связи соседнего атома достаточно небольшой энергии, которую электрон может получить за счет тепловых колебаний кристаллической решетки. В результате обмена электронами между соседними атомами дырка может перемещаться по кристаллу полупроводника, осуществляя при приложении внешнего электрического поля дырочную проводимость.

На рис. 1.25, бпредставлена энергетическая зонная диаграмма дырочного полупроводника, из которой следует, что ионизация акцепторного атома происходит в результате захвата электрона из валентной зоны полупроводника на энергетический уровень акцепторной примеси с энергиейW_a. Поскольку, как уже отмечалось выше, энергия образования свободной дырки невелика, то локальные энергетические уровни акцепторной примесиW_aрасположены в запрещенной зоне полупроводника вблизи потолка валентной зоны.