Собственная и примесная проводимость полупроводников

Электропроводимость химически чистых полупроводников называетсясобственной. Электропроводность, обусловленная наличием в них примесей называется примесной. Различают электронную (n-типа) и дырочную (р–типа) проводимости. Электронная проводимость возникает при перебросе электронов из валентной зоны в зону проводимости, для чего требуется энергия не меньшая, чем ширина запрещенной зоны. С увеличением температуры растет число электронов, которые переходят из валентной зоны в зону проводимости и участвуют в электропроводности. При указанном переходе на месте покинувшего валентную зону электрона образуется избыток положительного заряда – положительная дырка, которая ведет себя как положительный заряд, равный по величине заряду электрона.

На место дырки может переместиться другой электрон, что равносильно перемещению дырки, - она появится в новом месте, откуда ушел электрон, т.е. будет перемещаться в противоположном электрону направлении (в направлении приложенного поля), обеспечивая электропроводность полупроводника и электрический ток. Типичными и наиболее распространенными полупроводниками являются Si и Ge. Собственная электропроводность полупроводника невысока и для ее увеличения в полупроводник вводят примеси. Примеси являются дополнительными поставщиками электронов и дырок в твердых телах. При замещении атома кремния в кристаллической решетке атомом фосфора, у которого на внешней оболочке 5 электронов (а у кремния – четыре), один электрон оказывается несвязанным и его легко перевести в зону проводимости, т.к. энергетический уровень донора располагается ближе к зоне проводимости (для мышьяка в кремнии = 0,054 эВ).

Примеси, дающие избыток электронов, называются донорами. Они обеспечивают проводимость n–типа (рис. 183а). При замещении атома кремния атомом бора (у бора на внешней оболочке 3 электрона) возникает недостаток одного электрона на каждый атом бора. Этот недостающий электрон заимствуется у соседнего атома Si, в результате чего появится положительная дырка. Последовательное заполнение дырок электронами эквивалентно движению дырок и приводит к проводимости полупроводника р – типа.

Такие атомы – примеси называются акцепторами (рис. 183б). Акцепторные уровни располагаются выше верхнего края валентной зоны основного кристалла (для бора в кремнии ΔЕ_n = 0,08 эВ).

Перевод электронов из заполненной валентной зоны на акцепторные уровни приводит к появлению в этой зоне положительных дырок, и валентная зона становится зоной проводимости дырок. В полупроводнике возникает дырочная примесная проводимость (р – типа).

Р–n – переход

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, называется электронно-дырочным или р–n – переходом.

Рассмотрим физические процессы в р–n – переходе.

Приведем в контакт 2 полупроводника (рис. 184). Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже.

Диффузия дырок происходит в обратном направлении. В полупроводнике n-типа из-за ухода электронов вблизи границы образуется нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизированных донорных атомов.

В р-полупроводнике – образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизированных акцепторов. Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого напряжённостью Е_k препятствует дальнейшему переходу электронов в n-p направлении и дырок в направлении р-n .

Контактная разность потенциалов составляет величину порядка десятых долеё вольта и при обычных температурах носители тока не способны ее преодолеть, т.е. контактный слой является запирающим.

Если к р-n переходу приложить внешнее электрическое поле, совпадающее по направлению с полем контактного слоя, то оно вызовет движение электронов и дырок от границы р-n перехода в противоположные стороны (рис. 185).

n-тип

Рис. 185

В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через р-n переход не проходит.

Если приложенное к р-n переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя, то оно вызовет движение электронов и дырок к границе р-n перехода навстречу друг другу (рис. 186).

n-тип

р-тип

Е_k

р-тип

Рис. 186

В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит через р-n переход и электрическое поле называется пропускным (прямым).

р-n переход обладает односторонней (вентильной) проводимостью.