Дырочная проводимость

Добавка в тот же германий алюминия, галлия или индия создает в кристалле избыток дырок. Тогда полупроводник будет обладать дырочной проводимостью - полупроводник p-типа. Дырочная примесная электропроводимость создается атомами, имеющими меньшее количество валентных электронов, чем основные атомы. Подобные примеси называются акцепторными.

Доноры и акцепторы. Рассмотрим роль тех примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в пределах запрещенной зоны полупроводника. При небольшой концентрации примесей их атомы расположены в решетке полупроводника на таких больших расстояниях друг от друга, что они не взаимодейст­вуют, а потому энергетические уровни их почти такие же, как в отдельном свободном атоме. Вероятность непосредственного перехода электронов с одного примесного атома на другой ничтожно мала. Однако примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны.

Донор ы. Заполненные при отсутствии внешних энергети­ческих воздействий (тепло, свет) примесные уровни расположены в запрещенной зоне около «дна» зоны проводимости (рис. 8-1, б). При этом энергия активации примесных атомов меньше, чем ширина запрещенной зоны основного полупроводника, а потому при нагреве тела переброс электронов примеси будет опережать возбуждение электронов решетки. Положительные заряды, возникшие у отда­ленных друг от друга примесных атомов (на рис. 8-1, б уровни примеси показаны с разрывами), остаются локализованными, т. е. не могут блуждать по кристаллу и участвовать в электропровод­ности. Полупроводник с такой примесью имеет концентрацию электронов, большую, чем концентрация дырок, появившихся за счет перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, и его. называют полупроводником п-типа, а примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, — донорами.

Акцептор ы. Другие примеси могут внести незаполненные уровни, располагающиеся в запрещенной зоне основного полу­проводника вблизи «потолка» валентной зоны. Тепловое возбужде­ние будет в первую очередь забрасывать электроны из валентной зоны на эти свободные примесные уровни. Ввиду разобщенности атомов примеси электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в электрическом токе. Такой полупроводник будет иметь концентрацию дырок, большую, чем концентрация электро­нов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости, и его отно­сят к р-типу, Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называют акцепторами (рис. 8-1, в).

23. Процессы переноса зарядов в полупроводниках

Процесс переноса зарядов может наблюдаться в полупроводниках при наличии электронов в зоне проводимости и при неполном заполнении электронами валентной зоны. При выполнении этих условий и в отсутствие градиента температуры перенос носителей зарядов может происходить либо под действием электрического поля, либо под действием градиента концентрации носителей заряда.

Дрейф носителей заряда.

Направленное движение носителей заряда под действием электрического поля называют дрейфом. Электроны, получая ускорение в электрическом поле, приобретают на длине свободного пробега дополнительную энергию около 10^-8 – 10^-4 эВ. При этом электроны переходят на более высокие энергетические уровни (разница в энергиях между соседними энергетическими уровнями в разрешенной зоне около 10^-22 эВ). При очередном соударении электрона с атомом кристаллической решетки электрон отдает кристаллической решетке накопленную на длине свободного пробега энергию, возвращаясь на один из низко лежащих энергетических уровней в разрешенной зоне. Так можно представить процесс электропроводности в результате движения электронов в зоне проводимости и в валентной зоне. Однако, учитывая почти полное заполнение электронами энергетических уровней валентной зоны, удобнее рассматривать в валентной зоне движение дырок: дырки, двигаясь по направлению вектора электрического поля и приобретая в этом поле дополнительную энергию, переходят по энергетической диаграмме на более низкие энергетические уровни.

В результате дрейфа электронов в полупроводнике появляется электронная составляющая плотности дрейфового тока, которую запишем на основании закона Ома:

где sn – удельная проводимость полупроводника при одном виде имеющихся в нем носителей заряда – электронов; Е – вектор напряженности электрического поля; µ_n – подвижность электронов, т. е. величина, численно равная средней скорости их направленного движения в электрическом поле с единичной напряженностью.

Аналогично, дырочная составляющая плотности дрейфового тока:

Знаки в правых частях соотношений (3) и (4) одинаковые, так как заряды электронов и дырок различны по знаку и движутся в электрическом поле в разные стороны. Полная плотность дрейфового тока при наличии свободных электронов и дырок равна сумме электронной и дырочной составляющих: