Главная | Обратная связь

Примесная проводимость полупроводников

Как отмечалось, характерной особенностью полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от концентрации примесей.

При введении в четырёхвалентной полупроводник примеси пятивалентного элемента (например, в германий вводится мышьяк As),атомы примеси размещаются в узлах кристаллической решётки, замещая некоторые атомы германия (рис. 2.4а). При этом четыре из пяти валентных электрона атома мышьяка образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказывается лишним, т.е. в ковалентных связях не участвует, поэтому он легко отрывается от атома и становится свободным, увеличивая электронную проводимость полупроводника. Примесный атом мышьяка потеряв электрон, превращается в положительно заряженный атом (на рисунке обозначается знаком «+»). Его не следует путать с дыркой, поскольку он остаётся неподвижным за счёт прочной связи с соседними атомами, и поэтому участвовать в создании тока через кристалл не может.

Таким образом, при введении в германий пятивалентной примеси в полупроводнике создаётся преобладание электронной проводимости (т.е. n_n>>p_n, где n_n концентрация электронов, а p_n – концентрация дырок в полупроводнике n-типа). Такие полупроводники называются электронными или полупроводниками n-типа, а примесные атомы, обеспечивающие получение электронной проводимости, называются донорными или донорами.

В полупроводниках n-типа электроны являются основными носителями зарядов, а дырки – неосновными.

С точки зрения зонной теории образование электронной проводимости объясняется тем, что энергетические уровни атомов W_д располагаются в запрещённой зоне вблизи зоны проводимости (рис. 2.4б). Электроны донорной примеси, чтобы попасть в зону проводимости должны получить дополнительную энергию , называемую энергией активации, значительно меньшую ширины запрещённой зоны . Поэтому уже при комнатной температуре все примесные атомы оказываются ионизированными. Атомы доноров после ухода от них электронов проводимости превращаются в положительные ионы.

а) б)

Рис. 2.4

Если же в кристалл германия ввести примеси трёхвалентного элемента (рис. 2.5а ), например, индия In, то атомы примеси, заместив в кристаллической решётке атомы германия, образуют ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. Незаполненная четвёртая связь, заряда не создаёт, поскольку атомы примеси и германия остаются нейтральными. Однако в эту связь может перейти возбуждённый электрон от атома основного элемента (германия) за счёт разрыва одной из ковалентной связей. Разрыв ковалентной связи приводит к появлению дырки. Примесный же атом индия, захватывающий электрон, превращается в отрицательный (на рисунке обозначается знаком « ») ион, который участвовать в создании тока не может.

а) б)

рис. 2.5

Таким образом, при введении в германий трёхвалентной примеси, в полупроводнике создается преобладание дырочной проводимости (т.е. р_р>>n_р). Такие полупроводники называются дырочными или полупроводниками р-типа, а примесные атомы, обеспечивающие получение дырочной проводимости, называются акцепторными или акцепторами.

В полупроводниках р-типа дырки являются основными носителями зарядов, а электроны, возникающие за счёт собственной проводимости – неосновными.

С точки зрения зонной теории образование дырочной проводимости объясняется тем, что акцепторные примеси создают в запрещённой зоне, незаполненные энергетические уровни, расположенные вблизи валентной зоны (рис. 2.5б). Энергия активации акцептора значительно меньше ширины запретной зоны , поэтому уже при комнатной температуре электроны получают достаточно энергии для перемещения их из валентной зоны на уровни акцепторов, где образуются отрицательные атомы атомов примесей. В валентной зоне при этом возникает дырка.