3. Электропроводность примесных полупроводников

Химически чистые полупроводники используют в полупровод­никовой технике в основном в качестве исходного материала, на базе которого получают примесные полупроводники. За счет введения примеси можно значительно улучшить электропровод­ность полупроводника, создав в нем существенное преобладание одного какого-либо типа подвижных носителей заряда — дырок или электронов. В зависимости от валентности атомов примеси получают полупроводники с преобладанием либо электронной электропроводности, либо дырочной. Сочетание областей с раз­ным типом электропроводности позволяет придать полупровод­никовым приборам различные свойства. Примесь вводится в очень малом количестве — один атом примеси на 10⁶—10® атомов исходного полупроводника. При этом атомная кристаллическая решетка не нарушается.

При введении в четырехвалентный полупроводник, например кристалл кремния или германия, примеси пятивалентного хими­ческого элемента — мышьяка, сурьмы, фосфора — атомы при­меси замещают атомы исходного вещества в некоторых узлах кристаллической решетки (рис. 16, а). Четыре валентных элект­рона атома примеси создают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами исходного полупроводника, а пятый электрон, не занятый в связи, оказывается избыточным и легко отрывается от атома. На его отрыв требуется затратить существенно мень­шую энергию, чем на разрыв ковалентной связи, так что уже при комнатной температуре избыточные электроны атомов при­меси становятся свободными. Атом примеси, потерявший один электрон, превращается в неподвижный положительный ион, связанный в узле кристаллической решетки, — происходит ионизация атомов примеси. Положительный заряд иона примеси компенсируется отрицательным зарядом свободного электрона,

и слои полупроводника с примесью остается электрически нейтральным, если свободный электрон не уходит из этого слоя. В случае ухода электрона в другие слои полупроводникового кристалла неподвижные заряды ионов примеси образуют песком- пенсированный положительный объемный заряд.

Зона проводимости

Примесь, атомы которой отдают электроны, называют до- норной, При введении донорной примеси концентрация электро­нов в кристалле резко возрастает. Она определяется в основном концентрацией атомов примеси. Одновременно происходит гене­рация пар электрон — дырка, но количество электронов, возни-

Рис. 1.6. Появление свободного электрона при введении донорной примеси (а) и энергетическая диаграмма полу­проводника л-типа (б)

кающих при этом, значительно меньше, чем количество электро­нов, отдаваемых донорами. Поэтому концентрация электронов становится значительно выше концентрации дырок: п_п>р_п.

Электрический ток в таком полупроводнике создается в основном электронами, т. е. преобладает электронная составляющая тока.

Полупроводник, обладающий преимущественно электронной электропроводностью, называют полупроводником п-типа. В та­ком полупроводнике электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.

Поскольку содержание примесей невелико, атомы примеси можно рассматривать как отдельные, не взаимодействующие друг с другом. Тогда их энергетические уровни соответствуют уровням отдельного атома и не расщепляются в кристалле на зоны. Такие местные уровни называют локальными.

На энергетической диаграмме полупроводника п-типа (рис. 1.6,6) введение донорной примеси отражается появлением

в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости близко друг от друга расположенных локальных уровней энергии, занятых избыточными валентными электронами атомов доноров при тем­пературе абсолютного нуля. Число этих локальных уровней энер­гии равно числу атомов примеси в кристалле. На рисунке эти уровни показаны штрихами. Ширина зоны АЩц равна разности между энергией нижнего уровня зоны проводимости и локального валентного уровня донора в запрещенной зоне. Она очень мала и составляет 0,01—0,07 эВ в зависимости от выбран­ного полупроводника и материала примеси. Этим объясняет-

Рис. 1.7. Появление дырки при введении акцепторной примеси (а) и энергетическая диаграмма полупроводника p-типа (б)

ся то, что при комнатной температуре почти все электроны с локальных донорных уровней переходят в зону проводимости и могут участвовать в создании электрического тока.

При введении в кристалл кремния или германия примеси трехвалентного химического элемента, например индия, алюми­ния, бора или галлия, атом примеси, войдя в узел кристалличе­ской решетки, образует своими тремя валентными электронами только три ковалентные связи с соседними атомами четырех­валентного полупроводника (рис. 1.7, а). Для четвертой связи у него не хватает одного электрона; она оказывается незаполнен­ной, т. е. создается дырка. Для заполнения этой связи атом при­меси может захватить электрон из ковалентной связи соседнего атома, так как требуемая для перехода электрона энергия в этом случае невелика. В результате присоединения лишнего валентного электрона атом примеси превращается в неподвиж­ный отрицательный ион, а в соседней ковалентной связи, откуда этот электрон ушел, появляется дырка.

Положительный заряд дырки компенсирует отрицательный

г

¹ заряд иона примеси, и слои кристалла остается электрически нейтральным. В случае прихода в данный слой электрона из другого слоя и рекомбинации его с дыркой неподвижные заряды ионов примеси создают нескомпенсированный отрицательный объемный заряд.

Примесь, атомы которой захватывают электроны соседних атомов, называют акцепторной. Введение акцепторной примеси приводит к образованию избыточного числа дырок, концентрация которых значительно превышает концентрацию электронов, возникающих вследствие разрушения ковалентных связей полу­проводника: Рр>п_р. В электрическом токе, возникающем в таком полупроводнике, преобладает дырочная составляющая.

Полупроводник с преобладанием дырочной электропроводно­сти называют полупроводником p-типа. В таком полупроводнике дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа представ­лена на рис. 1.7,6. Локальные уровни энергии атомов акцептор­ной примеси (показаны штрихами) расположены в запрещенной зоне вблизи валентной зоны исходного полупроводника. Все эти уровни свободны при температуре абсолютного нуля, а число их соответствует количеству атомов примеси в кристалле. Вели­чина энергии равна разности между энергией акцепторного уровня и верхнего уровня валентной зоны. Она, как и вели­чина AW_a для полупроводников n-типа, мала и составляет 0,01 — 0,07 эВ в зависимости от материала исходного полупроводника и примеси. Поэтому при комнатной температуре все акцепторные уровни энергии оказываются занятыми электронами, которые переходят на них из валентной зоны. В результате в валентной зоне появляется большое количество вакантных уровней — дырок.

Таким образом, в примесных полупроводниках основные носители заряда появляются главным образом за счет атомов примеси, а неосновные — за счет резрушения ковалентных связей и вызванной этим генерации пар носителей заряда. Концентра­ция основных носителей заряда превышает на два-три порядка концентрацию неосновных носителей. При этом удельная элект­рическая проводимость примесного полупроводника превышает удельную проводимость собственного полупроводника в сотни тысяч раз.

Кроме кремния и германия в качестве исходных полупровод­никовых материалов в промышленности применяют арсенид галлия, селен, оксиды, карбиды и другие химические соединения элементов III и V групп, а также II и VI групп Периодической системы Менделеева.