Примесные полупроводники и их проводимость

Если часть атомов собственного полупроводника заменить на атомы с валентностью на единицу большей, чем у основных атомов, то такой полупроводник называют примесным.

Такие примесные атомы имеют валентность равную 5. При формировании твердого тела четыре валентных электрона примесных атомов будут образовывать прочные ковалентные связи с четырьмя электронами основных атомов, а пятый электрон примесного атома оказывается слабосвязанным (но не свободным).

Т. к. пятый электрон не свободный, и он не тратил энергию на образование ковалентной связи, то его энергия выше энергии электронов валентной зоны (поэтому условно этот уровень помещают в запрещенной зоне вблизи валентной зоны). Тогда уровень Ферми, вероятность заполнения электронами которого равна ½, прижимается к дну зоны проводимости.

При Т = 0 К свободных носителей заряда нет, полупроводник – не проводит электрического тока.

Если такому примесному полупроводнику сообщать дополнительную энергию, гораздо меньшую ширины запрещенной зоны (~ 1 эВ) или меньшую энергии, необходимой для разрыва ковалентной связи, но достаточную для отрыва слабосвязанных электронов (дополнительная энергия должна быть t энергии ионизации - энергии, необходимой слабосвязанному электрону для перехода с дополнительного уровня в зону проводимости, эВ), то в таком полупроводнике появляются свободные электроны, но т. к. ковалентные связи не разрываются, то дырок нет. Значит в таком примесном полупроводнике возникает электронная проводимость.

Такие примесные полупроводники называют электронными или донорными или полупроводниками n-типа ("negativ") (примесные уровни называют донорными уровнями).

При увеличении дополнительной энергии слабосвязанные электроны все становятся свободными и за счет рассеяния на фононах сопротивление начнет возрастать.

А когда дополнительная энергия достигнет ~ 1 эВ (т. е. станет достаточной для разрыва ковалентной связи) возникает собственная (электронно-дырочная) проводимость.

Если часть атомов собственного полупроводника заменить на атомы с валентностью, на единицу меньшей, чем у основных атомов, то такой полупроводник называют примесным.

Такие примесные атомы имеют валентность равную 3. При формировании твердого тела три валентных электрона примесных атомов будут образовывать прочные ковалентные связи с тремя электронами основных атомов, а для образования четвертой связи у примесного атома нет электрона. Значит, на этом месте есть «дырка».

При Т = 0 К свободных носителей заряда нет, полупроводник – не проводит электрического тока.

Если такому примесному полупроводнику сообщать дополнительную энергию, гораздо меньшую ширины запрещенной зоны (~ 1 эВ) или меньшую энергии, необходимой для разрыва ковалентной связи, то эта дополнительная энергия способствует переходу электрона от соседнего атома на вакантное место. При этом дырка начинает перемещаться по кристаллу – возникает дырочная проводимость.

Электрон, получив дополнительную энергию (энергию ионизации эВ) переходит из валентной зоны на дополнительные (акцепторные) уровни, находящиеся в запрещенной зоне (акцепторные уровни прижимают уровень Ферми к потолку валентной зоны).

В зоне проводимости нет свободных электронов, а в валентной зоне появляются дырки – дырочная проводимость.

Такие примесные полупроводники называют дырочными или акцепторными или полупроводниками р-типа ("positiv").

При увеличении дополнительной энергии все акцепторные уровни заполняются электронами и за счет рассеяния дырок на фононах сопротивление начнет возрастать.

А когда дополнительная энергия достигнет ~ 1 эВ (т. е. станет достаточной для разрыва ковалентной связи) возникает собственная (электронно-дырочная) проводимость.