4 Параметры примесных полупроводников

Кроме перечисленных параметров собственных полупроводников, примесные полупроводники имеют следующие параметры:

1. Тип проводимости.

2. Концентрация доноров или акцепторов.

3. Энергия ионизации примеси.

4. Концентрация свободных носителей заряда.

5. Подвижность носителей заряда.

6. Удельная электропроводимость.

1. Концентрация доноров или акцепторов. Ею называется количество примесных атомов в единице объема вещества. Измеряется в [см^-3]. Обозначается: N_Д - концентрация доноров, N_А - концентрация акцепторов.

2. Энергия ионизации примеси. Это энергия, которая необходимая для освобождения примесного электрона или дырки из примесного уровня. Для донорного полупроводника она отсчитывается от дна зоны проводимости до примесного уровня, а для акцепторного - от потолка валентной зоны по примесного уровня (см.рис. 2.4 и 2.5).

По значении энергии ионизации примесь делится на мелкую и глубокую. Если энергия ионизации примеси близка к половине ширины запрещенной зоны, то такую примесь называют глубокой. Если энергия ионизации примеси близка к уровню разрешенной зоны (реально меньше 0,1-0,05 еВ), то такую примесь называют мелкой. Чем больше энергия ионизации примеси, тем при той же температуре меньше концентрация свободных носителей заряда.

3. Концентрация свободных носителей заряда. Это количество свободных электронов (для донорного) или дырок (для акцепторного) в единице объема полупроводника. Определяется в [см^-3].

Рассмотрим зависимость концентрации свободных носителей заряда от температуры на примере донорного полупроводника. При температуре, 0 К все собственные электроны находятся в валентной зоне, а примесные на примесном уровне. Зона проводимости свободна от электронов и полупроводник не проводит электрический ток (рис. 2.8).

На участке низких температур при повышении температуры примесные электроны переходят с примесного уровня в зону проводимости (участок 1). Концентрация свободных электронов растет согласно

, (2.17)

где N_d - концентрация доноров;

E_d - энергия ионизации доноров.

Этот участок называется участком “вымораживания” примеси.

Последующий рост температуры приводит к истощению электронных ресурсов примесных атомов, когда все примесные электроны переходят в зону проводимости (участок 2). Этот участок называют участком “истощения” примеси. В этом случае собственные электроны не имеют достаточной энергии, чтобы преодолеть запрещенную зону. Вот почему концентрация свободных электронов приблизительно равняется концентрации примесных атомов

. (2.18)

Если дальше повышать температуру, то в зону проводимости переходят собственные электроны, а в валентной зоне возникают свободные дырки, то есть такой полупроводник ведет себя как собственный.

Такой участок называют участком “собственной проводимости”, а концентрацию свободных носителей заряда можно рассчитать согласно (2.13).

Снимая экспериментально зависимость в широком интервале температур по наклону прямой зависимостина участке “вымораживания примеси” (участок 1), можно определить энергию ионизации примеси; по значении полки на участке “истощения примеси” (участок 2), можно рассчитать концентрацию доноров; а по наклону прямой на участке “собственной проводимости” (участок 3) - рассчитать ширину запрещенной зоны.

4. Подвижность носителей заряда. В отличие от собственных полупроводников в примесных полупроводниках имеет место еще один механизм рассеяния электронов - на ионизированных атомах примеси. Этот механизм доминирует при низких температурах (обычно, на участке “вымораживания примеси” и частично на участке “истощения” примеси). В этом случае рост температуры приводит к росту тепловой скорости электронов, в результате чего они в меньшей степени взаимодействуют с ионизированными атомами примеси. Поэтому с ростом температуры подвижность носителей заряда растет (рис. 2.9)

. (2.19)

При больших температурах, как и в случае собственных полупроводников, доминирует механизм рассеивания электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решётки, поэтому в этом случае подвижность носителей заряда с ростом температуры снижается согласно (2.12).