Примеси в полупроводниках.

На процесс образования свободных электронов и дырок в полупроводнике большое влияние оказывают нарушения правильной структуры кристаллической решетки, а также наличие примесей. Атомы примесей обычно замещают в узлах решетки атомы основного вещества, образуя дефекты замещения. Примесные атомы могут попасть так же в междоузлия и образовать дефекты внедрения.

В полупроводники, используемые для изготовления полупроводниковых приборов, предварительно очищенные от случайных примесей, вводят специальные примеси, обеспечивающие преимущественную концентрацию либо свободных электронов, либо дырок. Для получения преимущественной концентрации электронов в качестве примесей используются вещества с валентностью, превосходящей валентность основного полупроводника. Такие примеси называются донорными. Так, для Ge и Si, валентность которых S=4, в качестве донорных примесей используются пятивалентные P или As. Преимущественная концентрация дырок получается за счет примесей с меньшей валентностью – акцепторных примесей. Такими примесями могут служить трехвалентные бор, Al, In и т.д.

Электронный полупроводник (n-типа)

На рис.5,а показана часть кристаллической решетки Ge вблизи узла, замещенного примесным атомом Р. Четыре валентных электрона Р образуют с валентными электронами четырех соседних атомов Ge парноэлектронные ковалентные связи. Поскольку ковалентная связь насыщенная, пятый валентный электрон не участвует ни в одной из четырех связей. Он связан с атомом примеси лишь кулоновскими силами и поэтому его энергетическое состояние более высокое, а энергия связи с атомом значительно меньше квантово – механической энергии связи для остальных четырех электронов.

Из пространственно – энергетической диаграммы (рис.5,б) видно, что периодическая j-ая функция вблизи атома примеси искажается и пятый валентный электрон, а значит, и атом примеси занимают отдельный локальный энергетический уровень в ЗЗ вблизи дна ЗП. Такое расположение в ЗЗ пятого электрона возможно, потому что он не является свободным электроном, а находится в j-ой яме вблизи своего атома.

Естественно, что для отделения этого электрона от атома – перевода его в ЗП – требуется значительно меньше энергии, нежели для перемещения любого валентного электрона из ВЗ в ЗП ∆E_g < ∆E_з.

Энергия ∆Е_д , требуемая для этого, называется энергией ионизации. При ионизации атома донорной примеси, называемого донором, в зоне проводимости появляется свободный электрон, а сам атом примеси превращается в положительно заряженный ион. В отличие от процесса перехода валентности электрона из валентной зоны в зону проводимости при генерации пар зарядов здесь не появляется дырка, т.к все валентные связи вблизи донорного атома замещены. Таким образом, положительный ион примеси в отличие от дырки – заряд неподвижный, и, следовательно, в процессе ионизации доноров образуются подвижные заряды лишь одного знака – свободные электроны.

Обычно концентрация атомов примеси в полупроводниках составляет 10^-6: 10^-3 %. Поэтому атомы примеси отстоят друг от друга на расстояния, измеряемые, по меньшей мере, сотнями периодов решётки. Волновые ф-ции этих атомов можно считать неперекрывающимися, а их энергетический уровень не расщепляется в энергетическую зону, а образует единый для всех атомов локальный энергитический уровень, располагающийся на зонной диаграмме вблизи дна зоны проводимости (рис.5,в).

Вывод: В полупроводниках с донорными примесями при Т>0°К образуется преимущественная концентрация электронов. Такие полупроводники называются электронными полупроводниками или n-полупроводниками.