2.1 Примесная проводимость полупроводника

В электронике часто применяются полупроводники, у которых часть атомов основного вещества замещена атомами другого вещества – примесью.

Введение в чистый полупроводник примесей называется легированием.

Легирование резко изменяет свойства полупроводника.

Для легирования используются либо трехвалентные элементы: индий (In), бор (В), алюминий (Al); либо пятивалентные: фосфор (Р), сурьма (Sb), мышьяк (As), т.е. валентность примеси должна отличаться от валентности основного вещества на единицу.

2.1.1 Донорная (электронная) проводимость

Если к четырехвалентному чистому полупроводнику добавить пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона атома примеси будут взаимодействовать с 4-мя валентными электронами атома чистого полупроводника, образуя прочные четыре ковалентные связи. Пятый валентный электрон атома примеси оказывается лишним – ему не хватает пары.

Этот пятый электрон слабо связан с атомом, поэтому уже при комнатной температуре (получив тепловую энергию) легко отрывается от атома и становится свободным (переходит в ЗП).

Атом примеси при этом ионизируется – становится положительным ионом.

При комнатной температуре все атомы примеси ионизированы.

При этой же температуре часть валентных электронов атомов чистого полупроводника может перейти из ВЗ в ЗП и стать свободными. В ВЗ при этом образуются дырки, т.е. происходит процесс генерации.

Таким образом, при комнатной температуре в примесном полупроводнике происходит два процесса: ионизация (участвуют атомы примеси) и генерация (участвуют атомы чистого полупроводника).

Причем, ионизация преобладает над генерацией, т.к. в процессе ионизации участвуют все атомы примеси, а в процессе генерации участвует только часть атомов чистого полупроводника.

Пятивалентная примесь называется донорной (от слова «донор» - отдать) или электронной, т.к. основными носителями заряда (ОНЗ) в этом полупроводнике являются электроны. Дырки в этом полупроводнике будут являться неосновными носителями заряда (ННЗ), т.к. их концентрация мала.

Полупроводник с электронной проводимостью называется донорным полупроводником или полупроводником n-типа (буква «n» - первая буква слова negative – отрицательный).

2.1.2 Акцепторная (дырочная) проводимость

Примеси трехвалентных элементов, позволяющие получить полупроводник с дырочной проводимостью, называются акцепторными.

Введем в чистый полупроводник трехвалентную (акцепторную) примесь.

При этом 3 валентных электрона атома примеси взаимодействуют с 3-мя валентными электронами атома чистого полупроводника, образуя три прочные ковалентные связи. Четвертая ковалентная связь оказывается неполной – для нее не хватает электрона примеси, а значит, на этом месте образуется дырка.

Эта дырка может быть заполнена валентным электроном из соседней ковалентной связи, но тогда возникнет дырка в другом месте. Таким образом, проводимость в данном случае будет дырочной, а полупроводник –акцепторный или полупроводник p-типа (буква «p» - первая буква слова positive – положительный).

Валентный электрон, заполнивший дырку, ионизирует атом примеси – возникает отрицательный ион.

Как и в предыдущем случае, при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы.

Кроме процесса ионизации, при комнатной температуре всегда имеет место процесс генерации, в котором участвуют атомы чистого полупроводника (часть валентных электронов этих атомов переходят из ВЗ в ЗП и становятся свободными, а на месте ушедших электронов образуются дырки).

Аналогично предыдущему примеру, процесс ионизации преобладает над процессом генерации.

Для электронной и дырочной проводимости справедливо:

Концентрация ОНЗ

Концентрация ННЗ

Концентрация ионов примеси

Если концентрация примеси в полупроводнике очень большая (высокая степень легирования) и достигает значения , такой полупроводник называется вырожденным.

По своим свойствам вырожденные полупроводники приближаются к проводникам, у которых концентрация электронов достигает значений

Обозначение вырожденных полупроводников:

полупроводниктипа или полупроводник типа

2.2 Токи в полупроводниках

В полупроводнике электрический ток может быть вызван двумя причинами:

• Электрическим полем.

• Разностью концентраций носителей заряда.

2.2.1 Дрейфовый ток

Рассмотрим первую причину.

Направленное движение носителей заряда (НЗ) под действием электрического поля называется дрейфовым током.

Если к полупроводнику подключить источник постоянного напряжения, то под действием внешнего электрического поля электроны и дырки начнут перемещаться в противоположных направлениях (электроны будут двигаться к плюсовой клемме источника питания, т.е. в сторону, противоположную направлению поля, а дырки – к минусовой, т.е. по направлению поля) – возникнет дрейфовый ток.

полупроводник

Ө

I_ДР Е

U_ПИТ

Е – напряженность электрического поля

За направление тока принято считать направление движения дырок.