|
|
Примеси в полупроводниках. |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
На процесс образования свободных электронов и дырок в полупроводнике большое |
||||||||||||||||||
влияние оказывают нарушения правильной структуры кристаллической решетки, а также |
|||||||||||||||||||
наличие примесей. Атомы примесей обычно замещают в узлах решетки атомы основного |
|||||||||||||||||||
вещества, |
|
образуя дефекты замещения. Примесные атомы могут попасть так же в |
|||||||||||||||||
междоузлия и образовать дефекты внедрения. |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
В полупроводники, |
используемые для изготовления полупроводниковых приборов, |
|||||||||||||||||
предварительно очищенные от случайных примесей, вводят специальные примеси, |
|||||||||||||||||||
обеспечивающие преимущественную концентрацию либо свободных электронов, |
либо |
||||||||||||||||||
дырок. |
Для получения преимущественной концентрации электронов в качестве примесей |
||||||||||||||||||
используются вещества с валентностью, |
превосходящей |
валентность |
|
основного |
|||||||||||||||
полупроводника. Такие примеси называются донорными. Так, |
для Ge и Si, |
валентность |
|||||||||||||||||
которых S=4, в качестве донорных примесей используются пятивалентные |
P или As. |
||||||||||||||||||
Преимущественная концентрация дырок получается за счет примесей с |
меньшей |
||||||||||||||||||
валентностью |
|
– |
акцепторных |
примесей. |
Такими примесями могут |
служить |
|||||||||||||
трехвалентные бор, Al, In и |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
т.д. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электронный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
полупроводник (n-типа) |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
На рис.5,а показана |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
часть |
|
|
|
кристаллической |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
решетки |
Ge |
|
вблизи |
узла, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
замещенного |
|
|
примесным |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
атомом |
|
|
|
|
Р. |
|
Четыре |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
валентных |
|
|
|
электрона |
Р |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
образуют |
|
|
с |
|
валентными |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
электронами |
|
|
|
четырех |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
соседних |
|
|
|
|
атомов |
|
Ge |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
парноэлектронные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ковалентные |
|
|
|
|
связи. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Поскольку |
|
|
|
|
ковалентная |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
связь |
|
|
насыщенная, |
|
пятый |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
валентный |
|
|
|
электрон |
не |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
участвует ни в одной из |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
четырех связей. Он связан с |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
атомом |
|
|
примеси |
|
лишь |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
кулоновскими |
силами |
и |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
поэтому его энергетическое |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
состояние более высокое, а |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
энергия |
связи |
с |
атомом |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
значительно |
|
|
|
меньше |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
квантово |
|
– |
|
механической |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
энергии |
|
|
|
|
связи |
|
|
для |
|
|
|
|
|
|
|
||||
остальных |
|
|
|
|
|
четырех |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
электронов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Из |
|
|
пространственно |
– |
энергетической диаграммы |
(рис.5,б) |
видно, |
что |
|||||||||
периодическая |
M-ая функция вблизи атома примеси искажается и пятый валентный |
||||||||||||||||||
электрон, |
|
а значит, |
и атом примеси занимают отдельный локальный энергетический |
||||||||||||||||
уровень в ЗЗ вблизи дна ЗП. Такое расположение в ЗЗ пятого электрона возможно, потому что он не является свободным электроном, а находится в M-ой яме вблизи своего атома.
Естественно, что для отделения этого электрона от атома – перевода его в ЗП – требуется значительно меньше энергии, нежели для перемещения любого валентного электрона из ВЗ в ЗП ∆Eg ∆Eз.
Энергия ∆Е , требуемая для этого, называется энергией ионизации. При ионизации атома донорной примеси, называемого донором, в зоне проводимости появляется свободный электрон, а сам атом примеси превращается в положительно заряженный ион. В отличие от процесса перехода валентности электрона из валентной зоны в зону проводимости при генерации пар зарядов здесь не появляется дырка, т.к все валентные связи вблизи донорного атома замещены. Таким образом, положительный ион примеси в отличие от дырки – заряд неподвижный, и, следовательно, в процессе ионизации доноров образуются подвижные заряды лишь одного знака – свободные электроны.
Обычно концентрация атомов примеси в полупроводниках составляет 10-6: 10-3 %. Поэтому атомы примеси отстоят друг от друга на расстояния, измеряемые, по меньшей мере, сотнями периодов решётки. Волновые ф-ции этих атомов можно считать неперекрывающимися, а их энергетический уровень не расщепляется в энергетическую зону, а образует единый для всех атомов локальный энергитический уровень, располагающийся на зонной диаграмме вблизи дна зоны проводимости (рис.5,в).
Вывод: В полупроводниках с донорными примесями при Т>0°К образуется преимущественная концентрация электронов. Такие полупроводники называются электронными полупроводниками или n-полупроводниками.
Дырочный полупроводник (р-типа).
В случае добавления в полупроводник акцепторной примеси одна из валентных связей вблизи атома-акцептора остаётся незаполненной (рис.6,а).
Рис. 6,а. Примесной атом In в кристалле Ge.
Такое состояние нельзя назвать дыркой, т.к. атом акцептора электрически нейтрален. Потенциальная функция вблизи атомов примеси искажается (рис.6,б).
П |
|
З |
А |
В |
|
|
Рис. 6,б. Положение примесного атома In на потенциальной диаграмме. |
||||||||||||||||
|
У края потенциальной ямы акцептора энергитический уровень, лежащий несколько |
||||||||||||||||
выше потолка валентной зоны, |
остаётся незаполненным. |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
В результате теплового возбуждения один из |
валентных электронов соседних |
|||||||||||||||
атомов может нарушать валентную связь и заместить свободный энергитический уровень |
|||||||||||||||||
(заполнить валентную связь) |
вблизи |
атома акцептора. |
При |
этом |
четвёртый электрон |
||||||||||||
связан с акцептором лишь квантомеханическими силами, |
т.е. |
его энергетическое |
|||||||||||||||
состояние окажется выше энергии остальных трёх |
|
|
|
|
|
||||||||||||
электронов |
|
на |
|
величину, |
|
примерно |
|
равную |
|
|
|
|
|
||||
классической |
кулоновской |
энергии. |
В результате |
|
|
|
|
|
|||||||||
такого перехода вблизи соседнего атома, |
которому |
|
|
|
|
|
|||||||||||
ранее |
принадлежал |
рассмотренный |
электрон, |
|
|
|
|
|
|||||||||
образуется |
дырка, |
а атом акцептора превратится в |
|
|
|
|
|
||||||||||
неподвижный |
|
отрицательно |
|
заряженный |
ион. |
|
|
А |
|
|
|||||||
Следовательно, |
в |
процессе |
ионизации акцепторов |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||
образуется преимущественная концентрация дырок – |
|
|
|
|
|
||||||||||||
образуются подвижные носители лишь одного знака. |
|
|
|
|
|
||||||||||||
Такие полупроводники называются дырочными или р- |
|
|
|
|
|
||||||||||||
полупроводниками. |
Как |
и |
|
в |
случае |
донорных |
|
Рис. 6,в. Энергетическая |
|||||||||
примесей, положение акцепторов в зонной диаграмме |
|
диаграмма р-полупроводника. |
|||||||||||||||
характеризуется |
единым |
локальным |
энергетическим |
|
|
|
|
|
|||||||||
уровнем, расположенным вблизи потолка валентной |
|
|
|
|
|
||||||||||||
зоны |
(рис.6,в). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выводы: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
В полупроводнике, |
в отличие от металлического проводника, ток образуется не |
|||||||||||||||
только за счет направленного движения (дрейфа) отрицательно |
заряженных свободных |
||||||||||||||||
электронов, но и за счет дрейфа положительно заряженных дырок. |
|
|
|||||||||||||||
1. |
Электропроводность собственного (беспримесного) полупроводника очень мала, |
||||||||||||||||
|
т.к. |
при комнатной температуре в нем мало носителей заряда – свободных |
|||||||||||||||
|
электронов и дырок. Из–за этого собственный полупроводник имеет ограниченное |
||||||||||||||||
|
применение в полупроводниковой технике. |
|
|
|
|
|
|||||||||||