Електронна провідність напівпровідників

Цей тип провідності здійснюється завдяки введенню у 4-валентний НП (германій або кремній) 5-валентних атомів домішок (фосфор Р, сурма Sb або миш¢як As), які називаються донорними домішками (лат. donоr – той, що віддає). Схема кристалічної ґратки з донорними доміш­ками показана на рисунку 1.4 а, відповідна енергетична діаграма – на рисунку 1.4 б.

а) б)

Рисунок 1.4 – Механізм електронної провідності НП:

а – схема кристалічної ґратки з донорними домішковими

атомами; б – енергетична діаграма

П’ятий валентний електрон атома домішок, який не бере участі у ковалентних зв’язках, має дуже незначну (порів­няно з ковалентними електронами) енергію зв¢язку з ядром атома. Під дією незначної енергії, що називається енергією активації донорів (її величина невелика порівняно з шириною забороненої зони, як показано на енергетичній діаграмі рис. 1.4 б), електрон стає вільним. Атоми домішок перетворюються на позитивні іони. Ці іони нерухомі, міцно зв’язані з кристалічною ґраткою і не беруть участі у створенні електричного струму в НП. Завдяки малій енергії активації ( еВ – для кремнію з домішками, еВ – для германію з домішками), навіть при кімнатній температурі відбувається повна іонізація 5-валентних атомів, яка супроводжується заповненням зони провідності вільними електронами (рис. 1.4 б). Вільні електрони у ЗП можуть з¢являтися і внаслідок дії механізму власної провідності, як у бездомішкових НП. Але ймовірність цього набагато нижча, ніж імовірність процесу активації домішок. Тому у ЗП зосереджується набагато більше вільних електронів, ніж є дірок у ВЗ, оскільки іонізація донорного атома не супроводжується утворенням дірки.

Отже, в НП з донорними домішками концентрація вільних електронів набагато перевищує концентрацію дірок. Символічно це записується так: у стані термодина­мічної рівноваги >> , де – рівноважна концентрація електронів у НП донорного типу (n-типу); – рівноважна концентрація дірок у НП n-типу. Електрони є основними носіями заряду, а дірки – неосновними.

Концентрація електронів у НП n-типу може бути визначена за формулою

, (1.2)

де – концентрація атомів донорних домішок;

– концентрація електронів внаслідок дії власної провідності НП.

Рівень Фермі у донорному НП зміщується у верхню половину ЗЗ. Його положення залежить від концентрації донорів (рівень Фермі зі збільшенням наближається до ЗП).