Элементы физической электроники — примесная проводимость

В электронике для производства полупроводниковых приборов широко используется полупроводники, имеющие кристаллическую структуру и обладающие примесной проводимостью. Примесная проводимость достигается путем замещения в чистом (собственном) полупроводнике части атомов вещества атомами другого вещества; в результате образуется так называемый примесный полупроводник. В зависимости от соотношения валентности чистого полупроводника и примеси в образовавшемся полупроводнике могут преобладать либо электроны (электронный полупроводник, полупроводник n – типа), либо дырки (дырочный полупроводник, полупроводник p- типа).

Среди полупроводниковых материалов, служащих для производства примесных полупроводников и в наилучшей степени отвечающих предъявляемым к ним специфическим требованиям (возможность очистки от примесей при его получении, возможность введения необходимого количества примесей в материал, достаточно высокая теплопроводность и способность сохранять заданные свойства в широком диапазоне температуры, доступность технологии производства в промышленном масштабе и др.), на первом месте стоят германий Ge и кремний Si, находящиеся в IV группе периодической системы Д.И.Менделеева. Находят также применение и перспективные полупроводниковые материалы в виде соединений элементов III и IV групп периодической системы — арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, карбид кремния SiC и др.

Германий и кремний – четырехвалентные элементы, а перечисленные соединения элементов образуют структуру, в которой на один атом в среднем приходится четыре электрона, что определяет сходство их электрических свойств с Ge и Si. В связи с этим для образования полупроводника n – типа в качестве примеси применяют пятивалентные вещества — доноры (фосфор Р, мышьяк As, сурьма Sb), а для полупроводника p- типа — трехвалентные – акцепторы (индий In, алюминий Al,бор В, галлий Ga).

Носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки (подвижные носители заряда) и ионизированные атомы примесей (доноров и акцепторов) — неподвижные носители заряда.

Чистый полупроводник (рис. 1, 2) содержит только подвижные носители заряда, которые образуются в результате ионизации атомов вещества (при нагреве, облучении), когда происходит разрыв ковалентных электронных связей части валентных электронов и они становятся свободными в пределах кристаллической решетки (электроны проводимости). При этом одновременно образуются незаполненные связи (вакансии; места, которые покинули электроны) — дырки. Дырка – понятие, введенное в квантовой теории твердого тела. Она ведет себя подобно частице с положительным зарядом, равным заряду электрона, и массой, близкой к массе электрона. На незаполненную связь (вакансию) в результате теплового движения переходят валентные электроны соседних связей; в результате то место, где отсутствует валентный электрон, хаотически перемещается в кристалле. Концентрация электронов в чистом полупроводнике равна концентрации дырок и определяется температурой вещества (равновесная концентрация).

Примесные полупроводники содержат как подвижные, так и неподвижные носители заряда.

В полупроводнике n – типа (рис. 3, 4) четыре валентных электрона примесного (пятивалентного) атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый электрон оказывается “лишним”. Энергия связи этого электрона (например, для мышьяка в германии – 0,031 эВ) со своим атомом значительно меньше энергии, необходимой для освобождения валентного электрона основного вещества (для германия, например,— 0,72 эВ). Поэтому уже при комнатной температуре (Т = 300 К, средняя энергия теплового движения микрочастиц около 0,026 эВ) пятый электрон может быть оторван от своего атома, а примесный атом тогда превратится в положительно заряженный ион. В результате в кристалле образуются подвижные носители заряда — электроны проводимости (основные носители заряда) и дырки (следствие ионизации атомов основного вещества - неосновные носители заряда, концентрация которых значительно ниже, чем основных - электронов) и неподвижные положительные заряды — ионизированные атомы примеси (доноры).

В полупроводнике p- типа (рис.5, 6) примесный атом (трехвалентный) отдает три своих валентных электрона для образования ковалентных связей с тремя расположенными рядом атомами основного вещества, а связь с четвертым соседним атомом оказывается незаполненной. Однако эта связь может быть заполнена уже при комнатной температуре (см. выше) путем перехода на нее валентных электронов с соседних связей атомов основного вещества (энергия ионизации, например, алюминия в германии составляет 0,0102 эВ). При переходе валентного электрона на незаполненную связь примесный атом превращается в отрицательно заряженный ион. В результате в кристалле образуются подвижные носители заряда — дырки (основные носители заряда) и электроны ( следствие ионизации атомов основного вещества - неосновные носители заряда, концентрация которых значительно ниже, чем основных - дырок) и неподвижные отрицательные заряды — ионизированные атомы примеси (акцепторы).

В примесных полупроводниках при комнатной температуре концентрация основных подвижных носителей заряда практически равна концентрации примесей (доноров, акцепторов), и именно эти подвижные носители заряда в целом определяют примесный характер проводимости полупроводника (электронный, дырочный).

Введение примесей в исходный чистый (собственный) полупроводник в концентрации 10¹³ – 10²¹ см^-3 при концентрации атомов в исходном собственном полупроводнике

около 10²² см^-3 позволяет получить величину примесной электропроводимости полупроводников, необходимую при производстве электронных приборов и их элементов с заданными характеристиками.