Электронный полупроводник (полупроводник n-типа)

Пусть небольшая часть атомов основного вещества замещена атомами примеси с валентностью на единицу большей. В качестве примера рассмотрим кремний, легированный элементом V группы фосфором. Для установления связи с четырьмя ближайшими соседями атом фосфора использует четыре валентных электрона. Пятый электрон в образовании ковалентных связей не участвует, он продолжает двигаться вокруг своего атома, но связан с ним намного слабее.

При сообщении электрону небольшой энергии он отрывается от атома фосфора и приобретает способность свободно перемещаться по кристаллу, превращаясь таким образом в электрон проводимости (свободный электрон). Этот процесс условно показан на рис. 4.3. После ухода пятого валентного электрона атом фосфора становится положительным ионом. Все связи этого иона с соседями заполнены, поэтому положительный заряд перемещаться не может.

Рис. 4.3. Атом фосфора в решетке кремния: а) замещение атома Si атомом P; б) отщепление «лишнего» электрона от атома	Рис. 4.4. Энергетическая диаграмма полупроводника, содержащего донорную примесь

Таким образом, при ионизации одного атома примеси образуется только один носитель заряда - электрон, дырка при этом не появляется. При T > 0 в первую очередь возбуждаются электроны примесных атомов, поэтому их концентрация при низких температурах может во много раз превысить концентрацию собственных носителей заряда. Примеси, являющиеся поставщиками электронов проводимости, называют донорными примесями, или просто донорами, а уровни этих примесей - донорными уровнями.

На энергетической диаграмме донорный уровень будет располагаться в верхней части запрещенной зоны (рис. 4.4), он отстоит от дна зоны проводимости на величину DE_d, равную энергии ионизации донора. Под энергией ионизации донора понимают минимальную энергию, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на донорном уровне,чтобы перевести его в зону проводимости. Она равна энергии связи пятого валентного электрона с атомом донора.

Энергия ионизации донора значительно меньше энергии ионизации собственных атомов (равной ширине запрещенной зоны). Поэтому в полупроводнике с донорными примесями при низких температурах преобладают электроны, возникшие при ионизации доноров. Электропроводность такого полупроводника обусловлена электронами, поэтому его называют электронным полупроводником, или полупроводником n-типа.

Кроме электронов, полупроводник n-типа содержит небольшое количество дырок, образующихся при редких переходах электронов из валентной зоны в зону проводимости (как и в собственном полупроводнике). Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями заряда, а дырки – неосновными.