1.13. Примесные полупроводники.

Некоторые примеси, называемые электрически активными, существенно увеличивают проводимость полупроводников. Электрически активные примеси - это, как правило, атомы, замещающие в узлах кристаллической решетки атомы основного вещества. При этом валентность примесных атомов должна быть (для влияния на проводимость полупроводников) большей или меньшей, чем валентность атомов, которые они замещают; при равных валентностях примесные атомы не будут электрически активными.

Рассмотрим, например, кристалл кремния, в который чаще всего вводят атомы фосфора или бора. На рисунке показана плоская модель решетки кремния с примесью 5-валентного

Рис. 1.15.

фосфора. Для образования в решетке ковалентных связей с ближайшими соседями достаточно четырех валентных электронов атома фосфора. Пятый - “избыточный” валентный электрон атома фосфора не может свободно перемещаться по кристаллу, ибо он “привязан” к атому фосфора (принято говорить - локализован). Однако связь этого электрона с атомом фосфора, т.е. с кристаллической решеткой, слабая, и при незначительных энергетических воздействиях электрон может стать свободным; иначе говоря, электрон попадает в зону проводимости

Примеси, способные поставлять в зону проводимости электроны, называют донорами. Донор, отдавший в зону проводимости электрон, становится положительно заряженным неподвижным ионом.

На энергетической схеме состояния “избыточных” электронов, связанных с донорами, обозначают в виде уровней - черточек, расположенных в запрещенной зоне. Энергетический зазор Е_D между дном зоны проводимости и донорными уровнями равен минимальной энергии, необходимой для разрыва связи “избыточного” электрона с донором, т.е. для перевода этого электрона в зону проводимости. Величину Е_D называют энергией ионизации донора. Обычно в полупроводниках Е_D  E_g (для фосфора в кремнии, например, Е_D  0,045 эВ, тогда как E_g  1,12 эВ.), поэтому при повышении температуры кристалла в зону проводимости переводятся в первую очередь “избыточные” электроны доноров. В этих условиях n  p, следовательно, электропроводность полупроводника с донорной примесью обусловлена в основном электронами в зоне проводимости. Такой полупроводник называют полупроводником n - типа, или электронным полупроводником, а свободные электроны в нем - основными носителями заряда. Дырки в полупроводнике n - типа называют неосновными носителями.

Уровень Ферми в полупроводнике n - типа лежит между уровнями “избыточных” электронов доноров и дном зоны проводимости.

Теперь рассмотрим случай, когда в кристалле кремния отдельные его атомы замещены атомами бора. Поскольку бор трехвалентен, структура ковалентных связей в его окрестности будет недоукомлектованной. Такой атом способен засчет относительно слабого энергетического воздействия захватить электрон из какой-либо ковалентной связи

Рис. 1.16.

соседнего атома кремния. В результате захвата образуются неподвижный отрицательный ион бора и дырка, которая может перемещаться по кристаллу под действием внешнего электрического поля.

Примеси, способные захватывать электроны из валентной зоны, называются акцепторами.

На энергетической схеме состояния валентных электронов, захваченных атомами бора, показаны в виде уровней - черточек, расположенных выше потолка валентной зоны на интервал энергии Е_А .

Величину Е_А называют энергией ионизации акцептора. Обычно в полупроводниках Е_А  Е_g , поэтому с увеличением температуры в полупроводнике, содержащем акцепторные атомы, в первую очередь появляются дырки за счет переходов электронов из валентной зоны на акцепторные уровни. Электропроводность полупроводника с акцепторной примесью обусловлена в основном дырками в валентной зоне. Такой полупроводник называется полупроводником р - типа или дырочным полупроводником, а дырки в нем - основными носителями заряда, небольшое число свободных электронов, появившихся за- счет переброса их из валентной зоны в зону проводимости, называют неосновными носителями заряда.

Уровень Ферми в полупроводнике р - типа лежит между акцепторными уровнями и потолком валентной зоны.

Проводимость полупроводника n - типа

а проводимость полупроводника р - типа, соответственно, равна

_.

Температурная зависимость проводимости в примесных полупроводниках в основном определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда. Для примера на рисунке изображена зависимость (в логарифмическом масштабе) концентрации n электронов в полупроводнике n - типа от обратной температуры.

Рис.1.17.

В области низких температур (участок 1 - 2) с увеличением температуры концентрация электронов в зоне проводимости экспоненциально увеличивается за счет ионизации доноров. При температуре Т₂ практически все доноры оказываются ионизированными. На участке 2 - 3 концентрация электронов в зоне проводимости почти не меняется, т.к. доноры уже истощились, а тепловая энергия еще недостаточна для заметного возбуждения электронов в валентной зоне. Концентрация электронов в области 2 -3 равна концентрации доноров. По мере дальнейшего повышения температуры полупроводника интенсивность заброса электронов из валентной зоны в зону проводимости увеличивается настолько, что концентрация собственных свободных электронов становится намного больше концентрации примесных.

Температурная зависимость проводимости примесного полупроводника при низких температурах (участок 1 - 2) и при высоких температурах (участок 3 - 4) определяется видом функции n (T), так как подвижность носителей заряда сравнительно слабо зависит от температуры. На участке 2 - 3 , где концентрация электронов в зоне проводимости от температуры не зависит, проявляется температурная зависимость подвижности носителей заряда. При увеличении температуры от Т₂ до Т₃ проводимость уменьшается, поскольку с повышением температуры тепловые колебания кристаллической решетки полупроводника усиливаются и подвижности электронов и дырок уменьшаются.

Лекция 7.