119. Домішкова провідність напівпровідників

П ровідність напівпровідників, зумовлена домішками, називається домішковою провідністю, а самі напівпровідники - домішковими напівпровідниками. Домішками є атоми сторонніх елементів, надлишкові атоми, теплові (пусті вузли або атоми в міжвузоллях) і механічні (тріщини, дислокації і т. д.) дефекти. Наявність в напівпровіднику домішки суттєво змінює його провідність. При заміщенні атома германію Ge п'ятивалентним атомом миш'яку (Аs) один електрон не може утворити ковалентний зв'язок, він виявляється зайвим і може бути при теплових коливаннях ґратки легко відщеплений від aтома, тобто стати вільним . Утворення вільного електрона не супроводжується порушенням ковалентного зв’язку, дірка не виникає.Надлишковий позитивний заряд, що виникає поблизу атома домішки, зв'язаний з атомом домішки, і тому переміщатися по ґратці не може.

Р ис. 205 З погляду зонної теорії цей процес можна представити так. Введення домішки спотворює поле ґратки, що приводить до виникнення у забороненій зоні енергетичного рівня D валентних електронів миш'яку, який називається домішковим рівнем. У випадку Gе з домішкою Аs цей рівень розміщується від дна зони провідності на відстані E_D = 0,015еВ. Оскільки Е_D << Е, то уже при звичайних температурах енергія теплового руху достатня для того, щоб перекинути електрони з домішкового рівня в зону провідності. Дірки, які утворюються при цьому,

локалізуються на нерухомих атомах миш’яку і у провідості участі не беруть.

Отже, в напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю більша, ніж валентність основних атомів, носіями струму є електрони, виникає електронна домішкова провідність n-типу. Напівпровідники з такою провідністю називаються електронними (n-типу). Домішки, що є джерелом електронів, називаються донорами, а енергетичні рівні цих домішок - сонорними рівнями.

П рипустимо, що в гратку кремнію (Si) введено домішковий атом бору (В) з трьома валентними електронами . Для утворення зв'язків з чотирма сусідами в атома бору не вистачає одного електрона, один із зв'язків залишається неукомплектованим і четвертий електрон може бути захоплений від сусіднього атома основної речовини, де утворюється дірка. Дірки не

залишаються локалізованими, а переміщаються в ґратці Si як вільні позитивні заряди. Надлишковий від'ємний заряд, що виникає поблизу атома домішки, зв'язаний з атомом домішки і по гратці переміщатися не може.

З гідно із зонною теорією введення тривалентного атома в ґратку Si приводить до виникнення в забороненій зоні домішкового рівня А, не зайнятого електронами . У випадку Si з домішкою В цей рівень локалізується вище верхнього краю валентної зони на E_a = 0,08eB. При порівняно низьких температурах електрони з валентної зони переходять на домішкові рівні і, зв'язуючись з атомами бору, втрачають здатність переміщатися по гратці кремнію, тобто в провідності участі не беруть. Носіями струму є лише дірки, що виникають у валентній зоні.

Отже, в напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю менша, ніж валентність основних атомів, носіями струму є дірки - виникає діркова провідність. Напівпровідники з такою провідністю називаються дірковими (р-типу). Домішки, що захоплюються електронами з валентної зони напівпровідника, називаються акцепторами, а енергетичні рівні цих домішок - акцепторними рівнями.

Д омішкова провідність напівпровідників зумовлена, в основному, носіями одного знака: електронами - у випадку донорної домішки, і дірками - у випадку акцепторної. Ці носії струму називаються основними.

Крім основних носіїв, у напівпровіднику є неосновні носії: у напівпровідника n-типу - дірки, а у напівпровідника p-типу - електрони. Концентрація основних носіїв більша, ніж концентрація неосновних носіїв.

Н а рис. показано зміну положення рівня Фермі при підвищенні температури в домішкових напівпровідників донорного (а) та акцепторного (б) типів.При низьких температурах середня енергія теплових коливань ґратки kT достатня для збудження і перекиду електронів у зону провідності з донорних рівнів E_D і дірок з акцепторних рівнів E_A у валентну зону.

При T = 0K рівень Фермі у напівпровідниках n-типу розміщується посередині між нижнім рівнем E_C зони провідності і донорним рівнем E_D, а у напівпровідниках p-типу – між акцепторним рівнем E_A і верхнім рівнем E_валентної зони.

У міру підвищення температури концентрація електронів у зоні провідності збільшується, концентрація електронів на донорних рівнях зменшується – донорні рівні спустошуються. При повному спустошенні домішок концентрація електронів у зоні провідності напівпровідника n - типу стає такою, що практично дорівнює концентрації донорної домішки, а концентрація дірок в напівпровіднику р - типу - концентрації акцепторної домішки.

При наступному підвищенні температури починається все інтенсивніше збудження власних носіїв, напівпровідник все більше наближається до стану власного напівпровідника, внаслідок чого рівень Фермі наближається до положення рівня Фермі у власному напівпровіднику.

120. р-п-Перехід і його вольт-амперна характеристика

Границя дотику двох напівпровідників, один з яких має електронну, а інший діркову провідність, називається електронно-дірковим переходом (або р-n-переходом). Ці переходи мають велике практичне значення, будучи основою роботи багатьох напівпровідникових приладів.

Отримати р – n - перехід безпосереднім дотиком двох напівпровідників практично неможливо, оскільки іх поверхні містять величезну кількість домішок, різноманітних дефектів, що змінюють властивості напівпровідників.

Р озглянемо фізичні процеси, що відбуваються в р – n - переході . Будемо вважати, що концентрація донорів N_D і концентрація акцепторів N_A однакові. Для n -області основними носіями є електрони і при не дуже низьких температурах концентрація електронів в n -області практично дорівнює концентрації донорних атомів - n_en = N_A. В р -області основні носії - дірки, і концентрація дірок у цій області дорівнює концентрації акцепторних атомів – n_др = N_A.

Крім основних носіїв, ці області містять неосновні носії: n - область – дірки (n_дн), р -область - електрони (n_ep). Розрахунок показує, що концентрація n_др у 10⁶ разів більша за n_дн в n-області, а концентрація n_en в 10⁶ разів більша за концентрацію електронів n_ep р - області. На рис показана енергетична схема n і р областей у момент, коли їх подумки склали.

В ідмінність у концентрації однотипних носіїв у контактуючих областях напівпровідника приводить до виникнення дифузійних потоків електронів з n - області в р - область (n_{en p}) і дифузійного потоку дірок із р -області в n -область ( n_{др n} ).

О бласть n, із якої дифундували електрони, заряджається позитивно, а р- область, із якої дифундували дірки, - негативно. Це приводить до того, що рівень Фермі Е_Fn знижується, а рівень Фермі Е_Fp підвищується. Перетікання електронів справа наліво і дірок зліва направо відбувається доти, доки рівень

Ф ермі Е_Fn в n - області не встановиться на однаковій висоті з рівнем Фермі в р - області (рис. 212). При розміщенні цих рівнів на однаковій висоті між n - і р - областями встановлюється рівновага, при якій потік електронів із n - області в р - область(n_{en p}) зрівноважується потоком електронів із p - області в n - область (n_{ep n}) зрівноважується потоком дірок із n - в р -область: n_{en p} = n_{ep n}; n_{др n} = n_{дn p}.

Якщо концентрація донорів і акцепторів у n - і р - областях однакова, то товщини шарів (d_n і d_p, в яких локалізуються рухомі заряди, рівні.

В області р – n - переходу енергетичні зони деформуються, внаслідок чого виникають потенціальні бар'єри як для електронів, так і для дірок. Перехід електронів із n-області в р-область зв'язаний з подоланням потенціального бар'єра е₀ і виконанням роботи, яка перетворюється в потенціальну енергію електронів. Тому енергетичні рівні акцепторного напівпровідника підняті відносно рівнів донорного напівпровідника на висоту, яка дорівнює е₀, і підйом відбувається на товщині подвійного шару d. Товщина подвійного шару тим більша, чим менша концентрація основних носіїв в n – і р - областях напівпровідника.

Т овщина d шару р – n - переходу в напівпровідниках становить ~ 10^-6 — 10^-10 м, а контактна різниця потенціалів - десяті частки вольт. Носії струму здатні подолати таку різницю потенціалів лише при температурі в декілька тисяч градусів, тобто при звичайних температурах рівноважний контактний шар є запірним.

О пір запірного шару можна змінити за допомогою зовнішнього електричного поля. Прикладемо до р – n - переходу зовнішнє електричне поле, яке напрямлене від n - провідника до р - провідника, тобто поле, яке збігається з полем контактного шару (рис. 213). Плюсовий полюс джерела струму підімкнений до n - області, а мінус - до р -області. Під дією цієї різниці потенціалів потенціальний бар’єр р – n - переходу підвищується до е₀ + е, що викличе зменшення в е^{е} разів потоку основних носіїв.

З міна висоти бар'єра не змінить потоків електронів n_{ep n} і дірок n_{дn p}.

Напрямок зовнішнього поля, що розширює запірний шар, називається запираючим (зворотним).

П рикладемо до р – n - переходу, що знаходиться в рівновазі, зовнішнє електричне поле, яке напрямлене протилежно полю контактного шару, підключивши до р – області позитивний полюс джерела напруги, а до n -області - негативний (рис. 214). Це поле, напрямок якого називається прямим, викликає пониження потенціального бар'єра для основних носіїв до е₀ – е. Тому потік електронів із n - області в р - область і потік дірок із р у n -oбласть збільшаться в е^{е} разів.

р – n - Перехід має односторонню провідність. Вольт –амперна характеристика р – n - переходу має вигляд, зображений на рис.