Донорные примеси

Полупроводник	Энергия ионизации ΔЕд, эВ
	фосфор	мышьяк	сурьма
германий	0,012	0,013	0,010
кремний	0,045	0,050	0,039

Акцепторные уровни(от лат. акцептор – принимающий). Предположим, что в решетке германия часть атомов замещена атомами трехвалентного индия, которые образуют по три связи с атомами германия и формируют акцепторный уровень –Е_а. Четвертая связь остается неполной, для нее у атома индия не хватает одного электрона. Такой электрон может быть захвачен у атома германия. Тогда атом индия превращается в отрицательный ион, а на месте захваченного электрона возникает дырка (рис. 4.7,б). Поскольку ионы индия не могут перемещаться по кристаллу, в электропереносе участвуют только дырки. Такой полупроводник называютдырочным,илиp-полупроводником. Основными носителями вp-полупроводнике являются дырки, а неосновными – электроны. Расчет показывает, что для ионизации атома индия требуется энергияΔЕ_а ≈ 0,01 эВ, т.е. температура перехода уровень-зона гораздо меньше, чем температура межзонного перехода.

В табл. 4.2 приведены энергии ионизации акцепторных атомов.

Донорные и акцепторные примеси могут присутствовать в полупроводнике одновременно. В этом случае запрещенная зона будет содержать два типа примесных уровней, а полупроводник – дырки и электроны одновременно. Возможно создание компенсированного полупроводника, где как в собственном полупроводнике будет выполняться условие n = p.

Таблица 4.2

Акцепторные примеси

Полупроводник	Энергия ионизации ΔЕа, эВ
	бор	алюминий	галлий	индий
германий	0,010	0,010	0,011	0,011
кремний	0,045	0,060	0,070	0,160

Из данных таблиц видно, что донорные и акцепторные уровни являются мелкими, т.е. ΔЕ<<E_g.Уровни прилипаниятакже относятся к мелким уровням. Они находятся еще ближе к зоне проводимости или валентной зоне. По своей сути уровни прилипания являются донорными или акцепторными уровнями, но электрон, захваченный таким уровнемE_П, не остается там длительное время, а, вследствие теплового возбуждения, вновь перебрасывается в зону. Аналогичный обмен дырками происходит между валентной зоной и близким к ней уровнем прилипания (рис. 4.7,в).

Наличие в полупроводнике уровней прилипания может существенно увеличить время жизни неравновесных носителей заряда.

Глубокие примесные уровниЕ_Лобразуются вблизи середины запрещенной зоны при легировании полупроводника некоторыми элементами (рис. 4.7,в). Примерами таких глубоких уровней являются энергетические уровни, образованные в кремнии атомами третьей группы таллия (акцепторный уровень, ΔЕ_а=0,26 эВ) или атомами элемента переходной группы марганца (донорный уровень, ΔЕ_д=-0,53 эВ). Глубокие уровни играют большую роль в процессах рекомбинации неравновесных носителей заряда.

Приведенные выше рассуждения справедливы лишь для малой концентрации примесей, когда взаимодействием примесных атомов между собой можно пренебречь. В этом случае примесный уровень является дискретным (см. рис. 4.7). С увеличением концентрации примесей необходимо учитывать расщепление примесных уровней в соответствии с постулатом Паули и образование примесных зон. При большой степени легирования примесная зона может настолько расширится, что перекроется с ближайшей энергетической зоной полупроводника.

Структурные дефекты в полупроводниках образуют локальные уровни, играющие роль донорных или акцепторных. Примерами таких дефектов являются дефекты по Шоттки, по Френкелю, дислокации. Поверхность полупроводника образует ряд поверхностных энергетических уровней, имеющих большое практическое значение (п. 7.5).