3.4. Примесная проводимость полупроводников

Введением в полупроводник специальных примесей можно сильно изменить его проводимость.

Проводимость легированных полупроводников называется примесной.

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решётки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов.

Рассмотрим, например, что произойдет, если в решётке германия один его атом замещён атомом примеси, обладающим пятью валентными электронами (фосфор, мышьяк, сурьма). Четыре электрона примесного атома будут находиться в химической связи с соседними атомами германия, а пятый электрон не может образовать валентную связь. Этот «лишний» электрон слабее связан с атомом примеси, и его сравнительно легко перевести в зону проводимости полупроводника.

Энергия «лишних» примесных электронов несколько меньше, чем энергия, соответствующая нижней границе зоны проводимости полупроводника. Поэтому энергетические уровни примесных электронов располагаются вблизи дна зоны проводимости (рис. 3.10). Эти уровни называются донорными, а атомы примесей, поставляющие «лишние» электроны в решётку, называютсяатомами-донорами. Для перевода электронов с одного уровня в зону проводимости нужна незначительная энергияактивации электронной проводимости, которую он может получить при тепловом возбуждении.

Рис. 3.10

В результате переброса электронов с донорных уровней в зону проводимости в полупроводнике возникает электронная примесная проводимость(проводимостьn-типа). Полупроводники такого типа называютсяэлектронными(или полупроводникамиn-типа).

Образование свободного электрона не сопровождается появлением дырки. Хотя в окрестности атома примеси возникает избыточный положительный заряд, но он связан с этим атомом и перемещаться по решётке не может.

Теперь предположим, что в решётку германия введён примесный атом с тремя валентными электронами(бор, алюминий, индий). Такой атом не может сформировать полного комплекта необходимых связей в решётке германия, так как у него для этого не достает одного электрона. Однако, он сможет насытить все связи, если позаимствует электрон у ближайшего атома германия. Тогда на месте электрона, ушедшего из атома германия, образуется «положительная дырка», которая будет заполняться электроном из соседнего атома германия. Процесс последовательного заполнения свободной связи эквивалентен движению «дырки» в полупроводнике.

Трехвалентные примеси приводят к появлению в запрещённой зоне примесных энергетических уровней, не занятых электронами. Они называются акцепторными уровнями (рис. 3.11).

Атомы примесей в этом случае называют атомами-акцепторами. Акцепторные уровни располагаются несколько выше верхнего края валентной зоны на величину. Эта энергия значительно меньше общей ширины запрещённой зоны. Поэтому вследствие теплового возбуждения электроны достаточно легко могут переходить из валентной зоны на локальные акцепторные уровни и там закрепляться.

В результате этого освобождаются вблизи «потолка» валентной зоны некоторые энергетические уровни, прежде занятые электронами.

Рис. 3.11

Электроны, оставшиеся в валентной зоне, могут теперь участвовать в проводимости полупроводника, которую удобно рассматривать как дырочную примесную проводимость. Описанный тип проводимости называют такжепроводимостью р-типа, а полупроводники с таким типом проводимости –дырочными полупроводниками, или полупроводникамир-типа.

Влияние температуры на положение уровня Ферми имеет сложный характер различный для n- ир-типов примесных полупроводников (рис. 3.10, 3.11). При достаточно высокой температуре, когда осуществляется переход к собственной проводимости полупроводника уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны.

Концентрация носителей тока в примесных полупроводниках складывается из концентрации основных и неосновныхносителей. В полупроводникахn-типа основными являются электроны, неосновными – дырки; в полупроводникахр-типа – дырки – основные, электроны – неосновные носители.

Каждая из этих концентраций растёт с повышением температуры по экспоненциальному закону:

,

.

Соответственно примесная проводимость определяется формулой

, (3.10)

где – коэффициент, слабо зависящий от температуры (по сравнению с экспонентой).

Логарифмируя (3.10), находим

.

Откладывая от оси абсцисс , а по оси ординат, получим прямую, образующую с осью абсцисс угол, тангенс которогопропорционален энергии ионизации примеси. На рис. 3.12 приведена криваядля примесного полупроводника.

Так как , то при повышении температуры в первую очередь активизируются основные носители, а во вторую очередь – неосновные.

Участок АВописывает примесную проводимость полупроводника. Рост примесной проводимости полупроводника с повышением температуры обусловлен в основном ростом концентрации примесных носителей.

Рис. 3.12

Участок ВСсоответствует области истощения примесей, участокСDописывает собственную проводимость полупроводника.