Примесная проводимость полупроводников.

Примесными полупроводниками называются химические соединения и сплавы элементов с. различной валентностью, как на основе собственных полупроводников, так и других элементов. В зависимости от соотношения валентностей основных атомов кристалла и атомов примеси примесные полупроводники различают p- или n-типа.

Рассмотрим полупроводник n-типа. Полупроводники n-типа — это химические соединения, в которых валентность атомов примеси Z_пр больше валентности основных атомов Z_ос кристалла: Z_пр > Z_ос- Природу проводимости полупроводников n-типа выявим на примере соединения на основе четырехвалентного германия Ge. В кристалле германия между атомами действует ковалентная связь. Заменим в кристалле один четырехвалентный атом германия на пятивалентный атом мышьяка As. Для осуществления ковалентной связи в кристалле Ge каждый атом должен иметь по 4 валентных электрона. Атом As имеет 5 таких электронов. Четыре атома мышьяка образуют ковалентную связь с четырьмя атомами германия, как показано на плоской модели кристаллической решетки, 5-й электрон оказывается слабо связанным с атомом примеси.

Наличие примеси в кристалле выражается в появлении в энергетической схеме полупроводника примесного донорного уровня, как показано на рис.. Примесный уровень в полупроводнике n-типа лежит вблизи свободной зоны и удален от ее дна на величину E_d, равную энергии связи избыточных электронов с атомами примеси, что для соединения GeAs составляет ≈0,01 эВ. Поэтому электрону достаточно сообщить энергию, равную E_d, и он станет свободным, т. е. перейдет в свободную зону. Этим и объясняется положение примесного донорного уровня в энергетической схеме.

Уровень Ферми при температуре Т = 0 К лежит посредине между дном свободной зоны и донорным уровнем, но с повышением температуры он смещается к середине эапрещенной зоны (при температуре выше 0 К уровень Ферми – есть такой энергетический уровень, вероятность заполнения которого равна ½.). При Т = 0 К донорный уровень заполнен электронами (валентная зона заполнена полностью, в свободной зоне электронов нет), но электроны не могут перейти в свободную зону. Близость этого уровня к свободной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны с примесного уровня переходят в свободную зону.

При наложении внешнего электрического поля валентные электроны примесных атомов с примесного донорного уровня переходят в свободную зону, перемещаются на более высокие уровни и создают своим движением электронный ток. Примеси типа мышьяка, дающие свободные электроны, называются донорными. Проводимость таких полупроводников называется донорной, электронной или отрицательной (negativ), а сами полупроводники — полупроводниками n-типа.

Полупроводники p-типа —это химические соединения, в которых валентность атомов примеси Z_пр меньше валентности основных атомов Z_ос кристалла: Z_пр < Z_ос. Пусть, например, в кристалле четырехвалентного кремния Si один атом замещен трехвалентным атомом бора В. Для ковалентной связи в кристалле Si атому В недостает одного электрона. Недостача электрона в химической связи В — Si пополняется из связи Si—Si. В результате В становится отрицательно заряженным ионом. На месте связи Si—Si, откуда ушел электрон, образуется дырка, участвующая в электропроводности.

Наличие примеси в кристалле приводит к появлению в энергетической схеме полупроводника примесного акцепторного уровня, расположенного, как показано на рис. 12.13, вблизи валентной зоны на расстоянии E_a от ее потолка При Т = О К акцепторный уровень свободен. При повышении температуры электрон легко переходит из валентной зоны на примесный уровень.

Уровень Ферми в полупроводниках p-типа при T == ОК лежит посредине между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем. При Т > 0 К уровень Ферми смещается ближе к середине запрещенной зоны.

При наложении электрического поля электроны из валентной зоны переходят на примесный акцепторный уровень. В валентной зоне образуются дырки, которые смещаются на более низкие энергетические уровни валентной зоны и своим направленным движением создают дырочный ток. Примеси типа бора, дающие дырки, называют акцепторами. Проводимость таких полупроводников называют акцепторной, дырочной или положительной (positiv), а полупроводники — полупроводниками р-типа. Благодаря наличию примесного уровня проводимость полупроводников резко возрастает. Так, например, введение в кристалл кремния всего лишь 0,001 % бора увеличивает проводимость полупроводников при комнатной температуре в 1000 раз.

5