2. Электропроводимость полупроводников.
2.1. Собственная проводимость. Когда электрон под внешним воздействием переходит из валентной зоны в зону проводимости, то в валентной зоне остается вакантное место (дырка; не заштрихованный кружочек на рис. 4). Это позволяет оставшимся электронам валентной зоны тоже принимать участие в электрическом токе, перемещаясь по ближайшим свободным уровням в пределах самой зоны. Для удобства говорят не о движении электронов валентной зоны, а о движении вакантных мест (дырок). Движение дырок эквивалентно движению положительно заряженных частиц с зарядом, равным заряду электронов. В химически чистом полупроводнике число электронов, перешедших в зону проводимости, равно числу дырок, образовавшихся в валентной зоне. И те и другие принимают участие с создании электрического тока. Подвижность электронов больше, чем дырок, поэтому дырочный ток не равен половине общего тока.
Так как число электронов равно числу дырок, то удельная проводимость полупроводника складывается из электронной и дырочной проводимости. Носители электрического заряда, образующиеся при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости, называют собственными носителями, а проводимость, обусловленную ими - собственной проводимостью.
2.2.Примесная проводимость.Электропроводимость полупроводников определяется концентрацией электронов и дырок и их подвижностью, введение же атомов примеси приводит к созданию дополнительных носителей тока и повышает электропроводимость вещества. Поэтому большинство полупроводников - примесные.
а). Донорные примеси.При введении в кристаллическую решетку германия атомов мышьяка, сурьмы или других веществ, атомы которых имеют пять валентных электронов, концентрация свободных электронов в полупроводнике резко возрастает. Происходит это потому, что четыре валентных электрона атома примеси участвуют в создании химической связи с атомами германия. Пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с атомом примеси, поэтому он легко покидает атом и становится свободным (рис.5).
Образование свободного электрона не сопровождается нарушением связи, следовательно, дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.
Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня Д валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ЕД = 0,013 эВ. Поэтому уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости.
Рис.5а Рис.5б
Таким образом, в этом случае примесные атомы отдают электроны, т.е. являются донорами электронов, что и объясняет их название. Проводимость, обусловленную движением свободных электронов, называют электронной или проводимостью n-типа.
б). Акцепторные примеси.При введении в кристаллическую решетку германия атомов индия, бора или других трехвалентных элементов характер проводимости полупроводника изменяется. Это объясняется тем, что на образование двухэлектронной связи с одним из соседних атомов германия у атома индия не хватает одного электрона, т.е. между двумя этими атомами получается незаполненная валентная связь. Электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т.е. дырки перемещаются в решетке германия как свободные положительные заряды. Избыточный отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомами примеси и по решетке перемещаться не может.
По зонной теории, введение трехвалентной примеси в решетку германия приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня А (рис 6), не занятого электронами. Этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии EA. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами индия, теряют способность перемещаться по решетке германия, т.е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне. Проводимость, обусловленную движением дырок, называют дырочной или проводимостью p - типа.
Рис.6а. Рис.6б.