Примесная проводимость полупроводников. Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью,а сами полупроводники — примесными полупроводниками.Примесная

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью,а сами полупроводники — примесными полупроводниками.Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов (по сравнению со стехиометрическим составом), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т.д.) дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 10⁶ раз.

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-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни утих примесей – донорными уровнями.

Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 22, 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, в отличие от случая, рассмотренного ранее, дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.

Рис. 22

С точки зрения зонной теории рассмотренный процесс можно представить следующим образом (рис. 22, б). Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ΔЕ_D = 0,013 эВ. Так как ΔЕ_D < kT, то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют.

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

Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 23, а). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона,одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнею атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т.е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. 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 уровни А, не занятого электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии ΔЕ_А =0,08 эВ (рис. 23, 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.

В отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами н дырками, примесная проводимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака: электронами — в случае донорной примеси, 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 0 К расположен посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем (рис. 24, а). С повышением температуры все большее число электронов переходит из донорных состояний в зону проводимости, но, помимо этого, возрастает и число тепловых флуктуации, 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 собственного полупроводника.

Рис. 24

Уровень Ферми в полупроводниках р-типа при 0 К располагается посередине между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем (рис.24, б). 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.

Проводимость примесного полупроводника, как и проводимость любого проводника, определяется концентрацией носителей и их подвижностью. С изменением температуры подвижность носителей меняется по сравнительно слабому степенному закону, а концентрация носителей – по очень сильному экспоненциальному закону, поэтому зависимость проводимости примесных полупроводников от температуры определяется в основном температурной зависимостью концентрации носителей тока в нем. На рис. 25 дан примерный график зависимости lnγ от 1/Т для примесных полупроводников. Участок АВ описывает примесную проводимость полупроводника.

Рост примесной проводимости полупроводника с повышением температуры обусловлен в основном ростом концентрации примесных носителей. Участок ВС соответствует области истощения примесей (это подтверждают и эксперименты), участок СD описывает собственную проводимость полупроводника.

Рис. 25