3.5. Примесные полупроводники

Кроме парных свободных носителей заряда, появляющихся в результате нарушения валентных связей, в полупроводнике могут быть также и носители заряда, существование которых связано с наличием атомов некоторых примесей. В соответствии со структурой кристаллической решетки примеси подразделяются на примеси замещения и примеси внедрения.

Если на месте одного из атомов полупроводника в каком-либо узле решетки оказывается атом другого вещества и другой валентности, то это будет примесь замещения. В этом случае тип электропроводности полупроводника определяется валентностью примесного атома и возможны случаи донорного и акцепторного полупроводников.

Если в междоузлия решетки, например, германия, внедряется атом другого вещества, то мы имеем примесь внедрения. Тип электропроводности в этом случае определяется размерами и электроотрицательностью внедренного атома. Эксперименты показывают, что в противоречии с правилом валентности, литий (I группа), внедряясь в междоузлия решетки германия, является донором, а кислород (VI группа) – акцептором.

Внедрение большего по размерам атома лития в тесные междоузлия решетки германия оказывается возможным только после его ионизации. Образовавшийся ион лития малых размеров может уже внедряться в тесные междоузлия решетки, а освободившийся электрон обусловливает проводимость n-типа.

Внедрение в междоузлия атома кислорода, имеющего сравнительно небольшие размеры и большую электроотрицательность, приводит к захватам электронов из атомов полупроводника, вследствие чего возникает электропроводность p-типа.

Если под влиянием энергетического воздействия перебрасывается в междоузлия атом германия или кремния, то образуются два примесных уровня: донорный ( внедренного атома) и акцепторный (пустого узла).

3.5.1. Донорные полупроводники

Е сли в структуру идеального полупроводника, состоящего из элемента IV группы таблицы Менделеева (например, германия), ввести атом вещества, относящегося к V группе (например, сурьмы), то этот атом образует валентные связи с четырьмя соседними атомами германия. Однако атомы V группы имеют на внешней энергетической оболочке не четыре, а пять валентных электронов. Пятый электрон будет избыточным, он не участвует в создании ковалентных связей и значительно слабее связан со своим атомом, чем электроны, создающие ковалентную связь (рис. 3.3, а). Для того, чтобы оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда, требуется значительно меньшее количество энергии , чем для высвобождения электрона из ковалентной связи.

В зонной модели это значит, что для того, чтобы перевести такой электрон в зону проводимости, необходимо значительно меньшее количество энергии, чем то, которым определяется расстояние между верхним уровнем валентной зоны W_В и нижним уровнем зоны проводимости W_С (рис. 3.3, б). Это означает, что уровни, на которых будут находиться такие электроны, должны располагаться в запрещенной зоне германия вблизи дна зоны проводимости. При очень низких температурах избыточные электроны находятся на этих уровнях, но уже при незначительном повышении температуры получают достаточное для перехода в зону проводимости количество энергии . Эта энергия называется энергией активации доноров или энергией ионизации.

Уход электрона от атома сурьмы превращает этот атом в положительный ион. Этот положительный заряд прочно связан с кристаллической решеткой и не будет перемещаться подобно дырке.

Таким образом, появление в кристаллической решетке германия примесного атома V группы приводит к появлению в зоне проводимости свободного электрона. Такой электрон не оставляет после себя вакансии в валентной зоне, то есть не появляется дырка.

Увеличение содержания атомов сурьмы в германии увеличивает содержание свободных электронов. Если концентрация электронов существенно превысит концентрацию дырок, то можно считать, что в таком кристалле ток будет переноситься в основном электронами. Другими словами, электроны в этом случае будут основными носителями свободного заряда, а дырки – неосновными.

Примеси, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются донорными примесями или донорами.

Таким образом, донорные примеси за счет эмиссии электронов с донорных уровней в зону проводимости обеспечивают электронную проводимость полупроводника. Часто для краткости такие полупроводники называют полупроводниками n-типа.