§ 2. Примесные полупроводники

До сих пор мы говорили только о двух путях введения доба­вочных электронов в кристаллическую решетку, которая во всем остальном совершенно идеальна. Один путь — это впрыс­нуть электрон от внешнего источника, а другой — выбить связанный электрон из нейтрального атома, сотворив одновре­менно и электрон и дырку. Но можно внедрить электроны в зону проводимости кристалла совершенно иным способом. Представим себе кристалл германия, в котором один из атомов германия заменен атомом мышьяка. У атомов германия валент­ность равна 4, и кристаллическая структура контролируется четырьмя валентными электронами. А у мышьяка валентность равна 5. И вот оказывается, что отдельный атом мышьяка в состоянии засесть в решетке германия (потому что габариты у него как раз такие, как надо), но при этом он будет вынужден действовать как четырехвалентный атом, тратя четыре валент­ных электрона из своего запаса на создание кристаллических связей и отбрасывая пятый. Этот лишний электрон привязан к нему очень слабо — энергия связи менее ¹/₁₀ эв. При комнат­ной температуре электрон с легкостью раздобудет такую не­большую энергию у тепловой энергии кристалла и отправится на свой страх и риск блуждать по решетке на правах свобод­ного электрона. Примесный атом наподобие мышьяка назы­вается донорным узлом, потому что он может снабдить кристалл отрицательным носителем. Если кристалл германия выращи­вается из расплава, куда было добавлено небольшое количество мышьяка, то мышьяковые донорские пункты распределятся по всему кристаллу и у кристалла появится определенная плот­ность внедренных отрицательных носителей.

Могло бы показаться, что малейшее электрическое поле, приложенное к кристаллу, смело бы эти носители прочь. Но этого не случится, ведь каждый атом мышьяка в теле кристалла заряжен положительно. Чтобы весь кристалл оставался нейт­ральным, средняя плотность отрицательных носителей — элект­ронов — должна быть равна плотности донорных узлов. Если вы приложите к граням этого кристалла два электрода и подключите их к батарейке, пойдет ток; но если с одного конца уносятся электроны-носители, то на другой конец должны по­ступать свежие электроны проводимости, так что средняя плотность электронов проводимости остается все время пример­но равной плотности донорных узлов.

Поскольку донорные узлы заряжены положительно, у них должно наблюдаться стремление перехватывать некоторые из электронов проводимости, когда последние блуждают по кри­сталлу. Поэтому донорный узел должен действовать как раз как та ловушка, о которой мы говорили в предыдущем пара­графе. Но если энергия захвата достаточно мала (как у мышья­ка, например), то общее число захваченных в какой-то момент носителей должно составлять лишь малую часть их общего числа. Для полного понимания поведения полупроводников этот захват, конечно, следует иметь в виду. Однако мы в даль­нейшем будем считать, что энергия захвата настолько низка, а температура так высока, что на донорных узлах нет элект­ронов. Конечно, это всего-навсего приближение.

Можно также внедрить в кристалл германия атом примеси с валентностью 3, скажем атом алюминия. Этот атом пытается выдать себя за объект с валентностью 4, воруя добавочный элект­рон у соседей. Он может украсть электрон у одного из соседних атомов германия и оказаться в конце концов отрицательно заряженным атомом с эффективной валентностью 4. Конечно, когда он стащит у атома германия электрон, там остается дырка; и эта дырка начинает блуждать по кристаллу на правах положительного носителя. Атом примеси, который способен таким путем образовать дырку, называется акцептором от корня «акцепт» — принимать. Если кристалл германия или кристалл кремния выращен из расплава, в который была добав­лена небольшая присадка алюминия, то в кристалле окажется определенная плотность дырок, которые действуют как поло­жительные носители.

Когда к полупроводнику добавлена донорная или акцептор­ная примесь, мы говорим о «примесном» полупроводнике.

Когда кристалл германия с некоторым количеством внедрен­ной донорной примеси находится при комнатной температуре, то электроны проводимости поставляются как донорными узлами, так и путем рождения электронно-дырочных пар за счет тепловой энергии. Естественно, электроны от обоих источников вполне эквивалентны друг другу, и в игру статистических про­цессов, ведущих к равновесию, входит их полное число N_n. Если температура не слишком низкая, то число отрицательных носи­телей, поставляемых атомами донорной примеси, примерно равно количеству имеющихся атомов примеси. При равновесии уравнение (12.4) еще обязано соблюдаться; произведение N_nN_p при данной температуре есть вполне определенное число.

Это означает, что добавление донорной примеси, которое увели­чивает число N_n, вызывает такое уменьшение количества N_p положительных носителей, что N_nN_p не изменяется. Если кон­центрация примеси достаточно высока, то число N_n отрицатель­ных носителей определяется количеством донорных узлов и почти не зависит от температуры — все изменения в экспоненте происходят за счет N_р, даже если оно много меньше N_n. В чи­стом в других отношениях кристалле с небольшой концентра­цией донорной примеси будут преобладать отрицательные носи­тели; такой материал называется полупроводником «n-типа».

Если в кристаллической решетке добавлена примесь акцеп­торного типа, то кое-какие из новых дырок, блуждая, начнут аннигилировать с некоторыми свободными электронами, соз­даваемыми тепловыми флуктуациями. Это будет продолжаться до тех пор, пока не выполнится уравнение (12.4). В равновес­ных условиях количество положительных носителей возрастает, а количество отрицательных убывает, поддерживая произведе­ние постоянным. Материал с избытком положительных носите­лей называется полупроводником «p-типа».

Если к полупроводниковому кристаллу приложить пару электродов и присоединить их к источнику разницы потенциа­лов, то внутри кристалла появится электрическое поле. Оно вынудит двигаться положительные и отрицательные носители, и потечет электрический ток. Посмотрим сперва, что прои­зойдет в материале n-типа, в котором имеется подавляющее большинство отрицательных носителей. В таком материале дырками можно пренебречь; они очень слабо скажутся на токе, потому что их мало. В идеальном кристалле при конечной тем­пературе (а особенно в кристалле с примесями) электроны пере­мещаются не совсем беспрепятственно. С ними беспрерывно происходят столкновения, которые сбивают их с намеченного ими пути, т. е. меняют их импульс. Эти столкновения — те самые рассеяния, о которых мы толковали в предыдущей главе и которые происходят на неровностях кристаллической решетки. В материале re-типа главной причиной рассеяния служат те самые донорные узлы, которые поставляют носителей. Раз у электронов проводимости энергия на донорных узлах немного иная, то волны вероятности обязаны на этом месте рассеиваться. Но даже в идеально чистом кристалле бывают (при ненулевой температуре) нерегулярности решетки, вызванные тепловыми колебаниями. С классической точки зрения можно говорить, что атомы не выстроены точно в правильную решетку, а в любое мгновение немного сдвинуты со своих мест по причине тепловых колебаний. Энергия Е₀, связывавшаяся по теории, изложенной в гл. 11, с каждой точкой решетки, чуть-чуть меняется от одного места к другому, так что волны амплитуды вероятности не передаются идеально, а каким-то неправильным образом рассеиваются. И при очень высоких температурах или для очень чистых веществ такое рассеяние может стать очень важным, но в большинстве примесных полупроводников, применяемых в практических устройствах, рассеяние происходит только за счет атомов примеси. Мы сейчас оценим величину электриче­ской проводимости в таких веществах.

Если к полупроводнику n-типа приложить электрическое поле, то каждый отрицательный носитель приобретет в этом поле ускорение, набирая скорость до тех пор, пока не рассеется на одном из донорных узлов. Это означает, что носители, кото­рые обычно движутся случайным образом, имея при этом теп­ловую энергию, начнут в среднем повышать свою скорость дрей­фа вдоль линий электрического поля, вызвав ток через кристалл. Скорость дрейфа, как правило, по сравнению с типич­ными тепловыми скоростями очень мала, так что можно, прики­дывая величину тока, принять, что от столкновения к столкно­вению среднее время странствий носителя постоянно. Допустим, что эффективный электрический заряд отрицательного носителя равен q_n. Сила, действующая на носитель в электрическом поле , будет равна q_n. В гл. 43, §3 (вып. 4) мы как раз подсчиты­вали среднюю скорость дрейфа в таких условиях и нашли, что она равна F/m, где F — сила, действующая на заряд;  — среднее время свободного пробега между столкновениями, а m— масса. Вместо нее надо поставить эффективную массу, которую мы подсчитывали в предыдущей главе, но поскольку нас интересует только грубый расчет, то предположим, что эта эффективная масса во всех направлениях одинакова. Мы ее здесь обозначим m_n. В этом приближении средняя скорость дрейфа будет равна

Зная скорость дрейфа, можно найти ток. Плотность электриче­ского тока j равна просто числу носителей в единице объема, N_n, умноженному на среднюю скорость дрейфа и на заряд носи­телей. Поэтому плотность тока равна

Мы видим, что плотность тока пропорциональна электриче­скому полю; такие полупроводниковые материалы подчиняются закону Ома. Коэффициент пропорциональности между j и , или проводимость , равен

Для материалов n-типа проводимость в общем не зависит от температуры. Во-первых, общее число основных носителей N_n определяется главным образом плотностью доноров в кристалле (пока температура не настолько низка, чтобы позволять атомам захватить чересчур много носителей), а, во-вторых, среднее время от соударения к соударению, _n, регулируется главным образом плотностью атомов примеси, а она, ясное дело, от тем­пературы не зависит.

Те же рассуждения можно приложить к веществу p-типа, переменив только значения параметров, которые появляются в (12.7). Если в одно и то же время имеется сравнимое количе­ство отрицательных и положительных носителей, то вклады носителей обоего рода надо сложить. Полная проводимость определится из

Для очень чистых веществ N_р и N_n примерно равны. Они будут меньше, чем у материалов с примесями, так что и прово­димость будет меньше. Кроме того, они будут резко меняться с температурой (по закону), так что проводи­мость с температурой может меняться чрезвычайно быстро.