2. Примесные полупроводники

Электрическая проводимость полупроводников весьма чувствительна даже к ничтожным количествам примесей, содержащихся в них. Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники – примесными полупроводниками.

Для выяснения механизма действия примесей на проводимость полупроводников рассмотрим влияние пятивалентного мышьяка и трехвалентного индия на свойства германия. Германий имеет решетку типа алмаза, в котором каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными силами (рис. 2).

Предположим, что часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка. Для установления связи с четырьмя ближайшими соседями , расходует 4 валентных электрона (рис. 3), пятый электрон в образовании связей не участвует. Он продолжает двигаться вокруг атома мышьяка. Вследствие того, что диэлектрическая проницаемость германия , сила притяжения электрона к ядру уменьшается, а размеры его орбиты увеличивается в 16 раз; энергия связи электрона с атомом уменьшается в раз и становится равной эВ. При

Рис.2 сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решетке германия, превращается, таким образом, в электрон проводимости.

С точки зрения зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Между заполненной энергетической зоной 1 и свободный зоны 2 чистого германия располагается узкий энергетический уровень валентных электронов мышьяка. Этот уровень размещается непосредственно у дна зоны проводимости 2, отстоя от него на расстоянии эВ. Его называют примесным уровнем. При сообщении электронам примесного уровня энергии эВ, они переходят в зону проводимости, образующиеся при этом положительные заряды, локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.

Рис. 3

Так как энергия возбуждения электронов примесных уровней почти на два порядка меньше энергии возбуждения собственных электронов германия (), то при нагревании возбуждаются в первую очередь электроны примесных атомов, вследствие чего их концентрация может во много раз превысить концентрацию собственных электронов. В этих условиях германий будет обладать в основном примесной электронной проводимостью. Такие полупроводники называются полупроводниками типа. Примеси являются источниками электронов и называются донорами, а энергетические уровни этих примесей – донорными уровня.

Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов германия замещена атомами трехвалентного индия (рис. 4). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно заимствовать у германия. Расчет показывает, что для этого требуется затрата энергии порядка эВ. Разорванная связь (дырка, рис. 4) не остается локализованной, а перемещается в решетке германия как свободный положительный заряд .

Рис. 4

На рис. 4 показаны энергетические зоны германия, содержащего примесь индия. Непосредственно у верхнего края заполненной зоны 1 на расстоянии эВ располагаются незаполненные энергетические уровни атомов индия. Близость этих уровней к заполненной зоне 1 приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из зоны 1 переходят на примесные уровни. Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решетке германия и в проводимости не участвуют (электроны захватываются примесью). Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в зоне 1. Поэтому проводимость германия в этом случае в основном дырочная. Такие полупроводники называются полупроводниками - типа. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей – акцепторными уровня.

Таким образом, в отличие от собственно проводимости осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводника обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в случае донорной примеси дырками в случае акцепторной примеси. Эти носителя называются основными. Кроме них полупроводник содержит не основные носители: электронный полупроводник – дырки, дырочный полупроводник – электроны. Концентрация их, как правило, значительно ниже концентрации основных носителей. Поэтому, доля, вносимая ими в проводимость полупроводника, во много раз меньше доли, вносимой основными носителями.