Собственная и примесная проводимость полупроводников

Различают собственные и примесные полупроводники. К числу собственных относятся чистые полупроводники (т.е полупроводники без примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника). Проводимостьтаких чистых полупроводников называетсясобственной.

В примесных полупроводниках электрические свойства определяются примесями, вводимыми искусственно в очень малых количествах. Например, введение в кремний всего лишь 0,001% бора увеличивает его проводимость при комнатной температуре примерно в 1000 раз.

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью.

На рисунке 5а показаны энергетические зоны собственного полупроводника при T=0.

Валентная зона полностью заполнена электронами, зона проводимости полностью свободна. Уровень Ферми располагается по середине запрещённой зоны. При T=0 тепловое движение отсутствует, а электрическое поле не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости, поэтому собственные полупроводники ведут себя приT=0 как диэлектрики.

При температуре T>0, часть электронов с верхних уровней валентной зоны переходит на нижние уровни проводимости за счёт энергии теплового движения (рис.5б). Если приложить внешнее электрическое поле, то электроны зоны проводимости будут перемещаться и создавать электрический ток. Электроны частично заполненной зоны проводимости являются отрицательными носителями заряда. Такая проводимость полупроводников называется электронной.

а)	б)

Рис.5. Энергетические диаграммы собственного полупроводника

а – при T=0; б – приT>0

Энергия, которую необходимо сообщить полупроводнику, чтобы электроны могли преодолеть запрещённую зону, называется энергией активации. После удаления части электронов с верхних уровней валентной зоны в ней образуются вакантные места, дырки, которые ведут себя во внешнем поле как частицы с положительным зарядом. Дырки являются положительными носителями заряда в полупроводниках. Во внешнем электрическом поле дырки движутся в сторону, противоположную электронам. Такого рода проводимость называется дырочной. Таким образом, у собственных полупроводников наблюдается двоякого рода проводимость: электронная и дырочная.

Процесс образования электронно-дырочных пар называется генерациейносителей.

Одновременно происходит обратный процесс, называемый рекомбинацией, когда электрон возвращается из зоны проводимости в валентную зону. При этом из проводимости кристалла исключаются два носителя зарядов: электрон и дырка.

В собственном полупроводнике при каждой температуре устанавливается равновесие между процессами генерации и рекомбинации, при котором концентрации электронов и дырок одинаковы.

4. Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы в узлах решётки полупроводников замещены атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов.

На рисунке 6 условно изображена решётка германия. Он имеет решётку типа решётки алмаза, в которой каждый атом окружён четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными связями.

Рис.6. Плоская модель решетки германия

Предположим, что часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка (рис.7). Для установления связи с четырьмя ближайшими соседями атом мышьяка использует 4 валентных электрона (рис.7а). Пятый электрон в образовании связей не участвует. Он связан со своим атомом слабее. Энергия связи его составляет =0,015 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решётке германия, превращаясь таким образом в электрон проводимости. На языке зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Между заполненной валентной зоной и зоной проводимости чистого германия располагается узкий энергетический уровень валентных электронов мышьяка (рис.8) непосредственно у дна зоны проводимости, отстоя от него на расстоянии =0,015 эВ. Его называют примесным уровнем. При сообщении электронам примесного уровня энергии =0,015 эВ они переходят в зону проводимости. Образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка, дырки при этом не образуются.

Примеси, являющиеся источниками электронов проводимости, называются донорами, а уровни этих примесей – донорными уровнями.

Рис.7. Атом мышьяка в решетке германия а) замещение атома GeатомомAs б) отщепление лишнего» электрона от атома	Рис.8. Энергетическая диаграмма германия, содержащего донорную примесь (As)

Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов замещена атомами трёхвалентного индия (рис.9а).

Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заимствовать» у атома германия.

Расчёт показывает, что для этого требуется затрата энергии порядка 0,015 эВ. Разорванная связь (дырка) рис.9б не остаётся локализованной, а перемещается в решётке германия как свободный положительный заряд «+е». На рис.10 показаны энергетические зоны германия, содержащего примесь индия. Непосредственно у верхнего края заполненной валентной зоны на расстоянии =0,015 эВ располагаются незаполненные энергетические уровни атомов индия. Близость этих уровней к заполненной валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни. Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решётке германия и в проводимости не участвуют (электроны захватываются примесью). Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей – акцепторными уровнями.

Рис.9. Атом индия в решётке германия а) замещение атома GeатомомIn б) образование дырки	Рис.10. Энергетическая диаграмма германия, содержащего акцепторную примесь (In)

Таким образом, в отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в случае донорной проводимости и дырками, в случае акцепторной. Эти носители называются основными.

Кроме них полупроводник содержит неосновныеносители заряда, обусловленные переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости; электронный полупроводник – дырки, дырочный полупроводник – электроны. Концентрация неосновных носителей, как правило, значительно ниже концентрации основных носителей.