Примесная проводимость

Введение примеси даже в ничтожной концентрации (1 атом на 10 миллионов) может резко увеличить электро­проводность полупроводника. Рассмотрим случай, когда в кристалл кремния включен атом 5-валентного элемента, на­пример, мышьяка. Такой примесный атом займет один из узлов решетки, где нормально должен быть атом кремния. Из пяти валентных электронов атома мышьяка только че­тыре будут участвовать в образовании ковалентных меж­атомных связей (рис. 19.5). Пятый электрон связан только со своим атомом. Связь оказывается настолько слабой, что этот электрон отрывается при сравнительно низких темпе­ратурах (ниже комнатной). Таким образом, примесный атом порождает свободный электрон, но дырка при этом не воз­никает (можно, впрочем, сказать, что дырка возникла, но она привязана к своему месту и никак не влияет на прово­димость кристалла). В таком кристалле будет мало дырок, по много свободных электронов. Примеси, отдающие элек­троны, называют донорами, а кристалл, где электронов мно­го больше, чем дырок, – полупроводником п-типа, или электронным (от латинского donare – дарить; negativus –отрицательный).

Рис. 19.5 Рис. 19.6

Если в кристалл кремния включить атом трехвалент­ного вещества (бора, алюминия, индия), то для образования новой ковалентной связи не хватит одного электрона (рис. 19.6). Атом такой примеси легко захватывает электрон от одного из соседей, превращаясь в отрицательный ион. В соседнем атоме (откуда похищен электрон) возникает дырка. В таком кристалле будет мало свободных электро­нов, зато много дырок. Примеси, захватывающие электро­ны, называют акцепторами, а полупроводник с такой при­месью – полупроводником р-типа, или дырочным (лат. acceptare – принимать, positivus – положительный).

Даже при концентрации примеси 1 : 1 000 000 число созданных ими свободных зарядов во много тысяч раз больше, чем в чистом кристалле. Заряды, концентрация ко­торых является преобладающей (они почти целиком постав­ляются примесными атомами), называют основными носи­телями, а заряды противоположного знака – неосновными. В полупроводнике п-типа основными носителями являются электроны, а в полупроводнике р-типа – дырки.

СТОП! Решите самостоятельно: А3, А4, В5, В6.

Задача 19.2. В полупроводник введена примесь, которая обеспечила электронную примесную проводимость. Отношение массы примеси к массе полупроводника равна a << 1. Молярная масса примеси m₀, плотность полупроводника r. Определить концентрацию примесных электронов, считая, что каждый атом примеси дает ровно один электрон.

a, r, m0	Решение. Пусть т0 – масса примеси, тогда общее число атомов примеси , а концентрация
пе = ?

. (1)

Если т – общая масса атомов полупроводника, то по условию

. (2)

Подставим (2) в (1) и получим . Этой же величине равна концентрация примесных электронов: п_е = п₀.

Ответ: .

СТОП! Решите самостоятельно: В7, В8.