Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников, обус­ловленная примесями, называется при­месной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупровод­никами. Примесями являются атомы посторонних элементов, избыточные ато­мы (по сравнению со стехиометрическим составом), тепловые (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механи­ческие (трещины, дислокации и т. д.) дефекты. Наличие в полупроводнике при­меси существенно изменяет его прово­димость. Например, при введении в крем­ний примерно 0,001 % атомов бора его про­водимость увеличивается в 1000 раз.

Примесную проводимость полупровод­ников рассмотрим на примере Ge и Si, в оторые вводятся атомы с валент­ностью, отличной от валентности основ­ных атомов на единицу. Например, при замещении атома германия пятивалент­ным атомом мышьяка (рис. 5 ,а) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых коле­баниях решетки отщеплен от атома, т. е. стать свободным. Образование сво­бодного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи; следова­тельно , дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, воз­никающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому пере­мещаться по решетке не может.

В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии = 0,015 эВ. Так как < , то уже при обычных темпе­ратурах энергия теплового движения до­статочна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом дырки локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на едини­цу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны; возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полу­проводники с такой проводимостью на­зываются электронными (или полупровод­никами n-тина). Примеси, являющиеся источником электронов, называются до­норами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями,

Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 5 , а).

Избыточный же отрицательный заряд, возникающий вблизи атома при­меси, связан с атомом примеси и по решетке перемещаться не может.

По зонной теории, введение трех­валентной примеси в решетку кремния приводит к возникновению в запрещен­ной зоне примесного энергетического уровня А, не занятого электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии =0,08 эВ (рис. 2 ,6). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами бора, теряют способность перемещаться по решетке кремния, т. е. в проводимости не участ­вуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возни­кает дырочная проводимость (проводи­мость р-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками р-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцеп­торами, а энергетические уровни этих примесей - акцепторными уровнями.

В отличие от собственной проводи­мости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная про­водимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака: электронами — в случае донорной при­меси и дырками — в случае акцепторной. Эти носители тока называются основ­ными. Кроме основных носителей в полу­проводнике имеются и неосновные носи­тели : в полупроводниках n-типа — дыр­ки, в полупроводниках р-типа — элек­троны.

Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно изменяет положение уровня Ферми Е_F . Расчеты показывают, что в случае полупроводников n-типа уровень Ферми Е_F при О К расположен посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем (рис. 6). С повышением температуры все большее число электронов переходит из донорных состояний в зону проводимости, но, помимо этого, возрастает и число тепловых флуктуаций, способных возбуждать электроны из валентной зоны и перебрасывать их через запрещенную зону энергий. Поэтому при высоких температурах уровень Ферми имеет тенденцию смещаться вниз (сплошная кривая) к своему предельному положению в цент­ре запрещенной зоны, характерному для чистого полупроводника.

Уровень Ферми в полупроводниках р-типа при О К Е_F располагается посередине между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем(рис.7) .

Рис.6 Рис. 7

Сплош­ная кривая опять-таки показывает его смещение с температурой. При темпе­ратурах, при которых примесные атомы оказываются полностью истощенными и увеличение концентрации носителей про­исходит за счет возбуждения собственных носителей, уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны, как в соб­ственном полупроводнике.