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, дляGeиSi, валентность которыхS=4, в качестве донорных примесей используются пятивалентныеPилиAs. Преимущественная концентрация дырок получается за счет примесей с меньшей валентностью –акцепторныхпримесей. Такими примесями могут служить трехвалентные бор,Al,Inи т.д.
Электронный полупроводник (n-типа)
Н
а
рис.5,а показана часть кристаллической
решеткиGeвблизи узла,
замещенного примесным атомом Р. Четыре
валентных электрона Р образуют с
валентными электронами четырех соседних
атомовGeпарноэлектронные
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 -ая функция вблизи атома примеси искажается и пятый валентный электрон, а значит, и атом примеси занимают отдельныйлокальныйэнергетический уровень в ЗЗ вблизи дна ЗП. Такое расположение в ЗЗ пятого электрона возможно, потому что он не является свободным электроном, а находится в-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 ∆Ед , требуемая для этого, называетсяэнергией ионизации. При ионизации атома донорной примеси, называемогодонором, 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 – заряднеподвижный, 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 называютсяэлектроннымиполупроводниками илиn-полупроводниками.