Собственные и примесные полупроводники.

Величина и тип электропроводности полупроводников зависят от природы и концентрации примеси, в том числе специально введенной (легирующей).

Собственные полупроводники не содержат легирующих добавок; к ним относятся высокой степени чистоты простые полупроводники: кремний Si, германий Ge, селен Se, теллур Те и др. и многие полу­проводниковые химические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, арсенид индия InAs и др.

Примесные полупроводники всегда содержат донорную или ак­цепторную примесь. В производстве полупроводниковых приборов примесные полупроводники используют чаще, поскольку в них свободные носители заряда образуются при более низких тем­пературах (чем в собственных полупроводниках), которые отвечают рабочему интервалу температур полупроводникового прибора.

Электропроводность собственных полупроводников.

В собственных полупроводниках при достаточности тепловой энергии решетки или в результате внешнего энергетического воздействия электрон(ы) перейдет(ут) из валентной зоны (ВЗ) в зону проводимости (ЗП) и станет(ут) свободным(и). Необходимая для этого перехода энергия определяется шириной запрещенной зоны (33) — ΔW полупроводника. С уходом электрона в ЗП в валентной зоне остается свободным энергетиче­ский уровень, называемый дыркой, а сама ВЗ становится не полно­стью заполненной (см рис а).

Таким образом, в кристалле образуется пара свободных носителей заряда — электрон в ЗП и дырка в ВЗ, которые и создают собственную электропроводность полупроводника.

В отсутствие внешнего электрического поля электрон и дырка совершают тепловые хаотические движения в пределах кристалла, а под действием поля осуществляют дополнительно направленное движение — дрейф, обусловливая тем самым электрический ток.

Электропроводность примесных полупроводников.

В примесных полупроводниках атомы примеси либо поставляют электроны в ЗП полупроводника, либо принимают их с уровней ВЗ. Эти переходы электронов осуществляются при существенно меньших за­тратах энергии, которые требуются электронам для преодоления потенциального барьера в виде 33 полупроводника. Поэтому эти виды переходов в примесных полупроводниках являются основными, домини­рующими над переходом электронов из ВЗ в ЗП.

Атомы примеси, размещаясь в запрещенной зоне полупроводни­ка, создают в пределах этой зоны дискретные энергетические уровни либо у нижнего ее края вблизи к ВЗ, либо — у верхнего, вблизи к ЗП (см. рис. б, в).

Виды примесей.

Примесь в зависимости от ее влияния на тип электропроводно­сти полупроводникового материала различают: акцепторную, донорную, амфотерную.

Акцепторная примесь. Если энергетические уровни атомов приме­си находятся в 33 вблизи ВЗ, то при тепловом или световом воздей­ствии на материал энергией, равной или большей ΔW_a (см. рис. б), но меньшей, чем ΔW 33, электроны из ВЗ полупроводника будут забрасываться на свободные уровни примеси (см. табл.), в результате чего в ВЗ образуются дырки. Ввиду разобщенности атомов примеси электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в электрическом токе. Поэтому концентрация дырок в ВЗ станет во много раз больше, чем концентрация электронов в ЗП. Электропро­водность в данном случае будет дырочная, полупроводник р-типа (позитив — положительный), а примесь — акцепторная (акцептор — принимающий). В полупроводнике с элек­тропроводностью р-типа дырки называют основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

Донорная примесь. Если уровни примеси располагаются в 33 у края ЗП полупроводника, то электроны с этих уровней будут перехо­дить в ЗП при энергии, равной или большей ΔW_д (см. рис. в), но меньшей, чем ширина ΔW 33 собственного полупроводника (см. табл.). Дырки, возникшие на энергетических уровнях примесных атомов, отдатенных друг от друга на значительные расстояния, оста­ются локализованными и не могут участвовать в электропроводно­сти. Поэтому концентрация электронов в ЗП наблюдается во много раз больше, чем концентрация дырок в ВЗ полупроводника. В этом случае электропроводность будет электронная, полупроводник п-типа (негатив — отрицательный), а примесь — донорная (донор — даюший). В полупроводнике с электропроводностью n-типа электро­ны считаются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.

Примесные уровни в германии и кремнии.

Примесь	Акцептор или донор	Энергия активации дырок ΔWа и электронов ΔWд, эВ
		Германий	Кремний
В	A	0,0104	0,045
Аl	A	0,0102	0,057
Ga	A	0,0108	0,065
In	A	0,0112	0,160
Tl	A	—	0,025
Р	D	0,0120	0,044
As	D	0,0127	0,049
Sb	D	0,0096	0,039
Bi	D	—	0,069
Li	D	0,0093	0,033
Zn	A	0,0300; 0,0900	0,092; 0,300
Cd	A	0,0500; 0,1600	-
Mn	A D или А	0,1600 0,3700	—
Ni	A D или А	0,2200 0,3000	—
Co	A D или А	0,2500 0,3100	—
Fe	D D или А	0,3500 0,2700	—
Cu	A D или А	0,0400; 0,3300 0,2600	—
Pt	A D или А	0,0400; 0,2500 0,2000	—
Au	D A D или А	0,0500 0,1500; 0,0400 0,2000	0,390 0,300

Амфотерная примесь может играть роль акцепторов и доноров. Созданные ею в 33 дополнительные энергетические уровни, как правило, лежат далеко от дна ЗП и от потолка ВЗ и называются глу­бокими.