4.3.1.Электронный полупроводник (полупроводник n-типа)

Пусть небольшая часть атомов основного вещества замещена атомами примеси с валентностью на единицу большей. В качестве примера рассмотрим кремний, легированный элементом V группы фосфором. Для установления связи с четырьмя ближайшими соседями атом фосфора использует четыре валентных электрона. Пятый электрон в образовании ковалентных связей не участвует, он продолжает двигаться вокруг своего атома, но связан с ним намного слабее.

При сообщении электрону небольшой энергии он отрывается от атома фосфора и приобретает способность свободно перемещаться по кристаллу, превращаясь таким образом в электрон проводимости (свободный электрон). Этот процесс условно показан на рис. 4.3. После ухода пятого валентного электрона атом фосфора становится положительным ионом. Все связи этого иона с соседями заполнены, поэтому положительный заряд перемещаться не может.

Рис. 4.3. Атом фосфора в решетке кремния: а) замещение атома Si атомом P; б) отщепление «лишнего» электрона от атома	Рис. 4.4. Энергетическая диаграмма полупроводника, содержащего донорную примесь

Таким образом, при ионизации одного атома примеси образуется только один носитель заряда - электрон, дырка при этом не появляется. При T > 0в первую очередь возбуждаются электроны примесных атомов, поэтому их концентрация при низких температурах может во много раз превысить концентрацию собственных носителей заряда. Примеси, являющиеся поставщиками электронов проводимости, называютдонорными примесями, или простодонорами, а уровни этих примесей -донорными уровнями.

На энергетической диаграмме донорный уровень будет располагаться в верхней части запрещенной зоны (рис. 4.4), он отстоит от дна зоны проводимости на величинуE_d, равнуюэнергии ионизации донора. Подэнергией ионизации донорапонимают минимальную энергию, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на донорном уровне, чтобы перевести его в зону проводимости.Она равна энергии связи пятого валентного электрона с атомом донора.

Энергия ионизации донора значительно меньше энергии ионизации собственных атомов (равной ширине запрещенной зоны). Поэтому в полупроводнике с донорными примесями при низких температурах преобладают электроны, возникшие при ионизации доноров. Электропроводность такого полупроводника обусловлена электронами, поэтому его называют электронным полупроводником, или полупроводникомn-типа.

Кроме электронов, полупроводник n-типа содержит небольшое количество дырок, образующихся при редких переходах электронов из валентной зоны в зону проводимости (как и в собственном полупроводнике). Электроны в полупроводнике n-типа называют основныминосителями заряда, а дырки –неосновными.

4.3.2. Дырочный полупроводник (полупроводник р-типа)

Рассмотрим легирование полупроводника примесью, валентность которой меньше валентности основного вещества на единицу. Например, пусть в кремнии небольшая часть атомов замещена атомами бора - элемента Ш группы периодической системы.

Рис.4.5. Атом бора в решетке кремния: а) замещение атома Si атомом B; б) образование дырки	Рис.4.6. Энергетическая диаграмма полупроводника, содержащего акцепторную примесь

Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона. Недостающий электрон может быть захвачен атомом бора у соседнего атома кремния. Для этого требуется небольшая затрата энергии. Атом бора, захвативший электрон, становится отрицательным ионом. Разорванная связь атома кремния не остается локализованной. Этот атом может захватить электрон у другого атома кремния, и положительный заряд будет перемещаться: появилась дырка. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей -акцепторнымиуровнями. Акцепторные уровни располагаются в нижней части запрещенной зоны. ВеличинаE_a - этоэнергия ионизации акцептора, т.е. минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону валентной зоны, чтобы перевести его на акцепторный уровень.В полупроводнике с акцепторными примесями при низких температурах электропроводность обусловлена дырками, поэтому такой полупроводник называютдырочным полупроводником, или полупроводникомp-типа.

В полупроводнике р-типа дырки будут основныминосителями заряда, а электроны –неосновными.

В элементарных полупроводниках IV группы - кремнии и германии - донорами являются элементы V группы: N, Р, As, Sb, а акцепторами - элементы Ш группы:B, Al, Ga, In. В полупроводниковых соединениях типаA^IIIB^VиA^IIB^VIнекоторые примеси IVгруппы могут замещать любой элемент. Так кремний, введенный в качестве примеси в арсенид галлия, создает дырки, если он замещает мышьяк, и свободные электроны, если он замещает галлий. Такое нежелательное, с точки зрения полупроводниковой технологии, амфотерное поведение обнаруживается не у всех примесей IV группы. Например, олово в арсениде галлия почти всегда замещает галлий и поэтому является полезной легирующей примесью - акцептором. Элементы из IV группы (теллур, селен, сера), замещающие мышьяк, используются для получения арсенида галлия n-типа, а элементы П группы (цинк, кадмий) широко используются для получения арсенида галлия р-типа.

Другие примесные атомы или дефекты кристаллической решетки могут создавать в запрещенной зоне уровни, расположенные далеко от краев запрещенной зоны - глубокие уровни. Глубокие уровни могут быть уровнями как донорного типа, так и акцепторного. Поставщиками носителей заряда глубокие уровни не являются, а играют роль ловушек.