Примесная электропроводность

С целью повышения проводимости, т.е. для увеличения концентрации носителей заряда, в полупроводник вводят примеси, поэтому к собственной электропроводности добавляется примесная. Процесс внесения специальных примесей называют легированием, а полупроводниковые материалы – легированными.

В зависимости от рода примеси примесная электропроводность может быть электронной и дырочной.

Если к четырехвалентному германию добавить пятивалентные сурьму (Sb), или мышьяк (As), или фосфор (P), то получается примесная электронная электропроводность. Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами, а пятый электрон они отдают в зону проводимости (рис. 1.6, а). В результате добавляется некоторое количество электронов проводимости. Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами. Не следует думать, что при этом полупроводник приобретает отрицательный заряд, т.к. в исходном состоянии собственный и примесный полупроводники электрически нейтральны, поэтому и в примесном полупроводнике суммарные положительный и отрицательный заряды равны.

На рис. 1.6, б приведена зонная диаграмма легированного полупроводника, на который энергетические уровни атомов донора расположены немного ниже зоны проводимости основного полупроводника. Поэтому из каждого атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости, и таким образом в этой зоне появляется дополнительное число электронов, равное числу атомов донора. В самих атомах донора, как видно из рисунка, дырки не образуются.

Если четырехвалентный германий содержит примеси трехвалентных бора (И), или индия (In), или алюминия (Al), то их атомы захватывают электроны атомов германия и в последних образуются дырки. Такие примеси называются акцепторами. Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. На рис. 1.7 приведены механизм формирования полупроводника р-типа и зонная энергетическая диаграмма, на которой энергетические уровни акцепторных атомов располагаются лишь немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой на их месте возникают дырки.

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Ими являются электроны в полупроводнике n – типа и дырки - в p – типа. Неосновными называются носители, концентрация которых меньше концентрации основных, т.е. дырки в полупроводнике n – типа и электроны - p – типа.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация примесей N_д и N_а должна превышать концентрацию собственных носителей. Например, для германия, у которого при комнатной температуре n_i = p_i = 10¹³ см ^{– 3}, N_д и N_а могут быть равными 10 ¹⁵ - 10 ¹⁸ см ^{- 3} , т.е. в 10 ² ¸ 10 ⁵ раз больше концентрации собственных носителей.

Если N>>N, то можно пренебречь концентрацией собственных носителей, т.е. электронов, тогда n_n » N_д. Например, для германия n – типа может быть n_n » 10 ¹⁶ cм ^{– 3}. Ясно, что по сравнению с этим значением концентрацию собственных носителей n_i = 10 ¹³ cм ^{- 3} учитывать не нужно, так как она в 1000 раз меньше. Концентрация неосновных носителей уменьшается во столько же раз, т.е. в 1000 и станет равной p_n = 10 ¹⁰ cм ³. Это объясняется тем, что при увеличении в 1000 раз концентрации электронов проводимости, полученных от донорных атомов, нижние энергетические уровни зоны проводимости оказываются занятыми и переход электронов из валентной зоны возможен только на более высокие уровни зоны проводимости. Но для такого перехода электроны должны иметь большую энергию, чем в собственном полупроводнике, и поэтому значительно меньшее число электронов может его осуществить. Соответственно значительно уменьшается число дырок проводимости в валентной зоне. Оказывается всегда справедливо соотношение:

n_n × p_n = n_i × p_i = n_i ² = p_i ². (1.2)

Для рассмотренного примера: 10¹⁶ × 10¹⁰ = (10¹³)² = 10²⁶. Все рассмотренное выше справедливо и для полупроводников р – типа.

Рассмотренный примерно наглядно показывает, что ничтожно малое количество примеси существенно изменяет характер электропроводности и проводимость полупроводников. Действительно, концентрация примеси 10¹⁶ см ^–3 при числе атомов германия 4,4 × 10²² в
1см ^{- 3} означает, что добавляется всего лишь один атом примеси на четыре с лишним миллион атомов германия, т.е. 10^–4 %. Но в результате этого концентрация основных носителей возрастает в 1000 раз и соответственно увеличивается проводимость.

Получение проводников с таким малым и строго дозированным содержанием примеси является сложным процессом, при этом исходный полупроводник должен быть очень чистым. Для германия посторонние примеси допускаются в количестве не более 10 ^{– 8} %, т. е. не более одного атома на 10 миллиардов атомов германия. А для кремния допуск еще меньше: не более 10 ^-11 %.