5.1.3.Электропроводность примесных полупроводников
Полупроводник, имеющий примеси, называют примесным, а его электропроводность, обусловленную наличием примеси, - примесной.
Дефекты в кристалле создают локальные энергетические уровни в запрещенной зоне собственного полупроводника.
Рассмотрим образование локальных энергетических уровней в случае примесных атомов замещения.
Рис. 5.4..Р
ассмотрим
кристалл
кремния (Si
, IV),
в который введена примесь
фосфора (P
,V).
Каждый атом Si связан ковалентными связями с четырьмя другими атомами
Валентные электроны прочно связаны с кристаллической решеткой и не участвуют в проводимости.
Если в этом кристалле атомы Si будут частично замещены атомами P, имеющими пять валентных электронов, то четыре из них идут на образование ковалентной связи с четырьмя соседними атомами, а пятый окажется лишним.
Этот лишний электрон слабо удерживается атомом. Его энергия
-
оказывается значительно выше энергии
электронов, занятых в ковалентных связях
(энергия электрона , участвующего в
связи, минимальна),
- однако эта энергия оказывается несколько ниже энергии электронов, находящихся в зоне проводимости, так как пятый электрон все еще остается связанным со своим атомом.
- Энергетический уровень пятого электрона поэтому располагается в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Это локальный энергетический уровень (рис.5.5).
Зона проводимости кристалла для лишних электронов является областью их ионизации.
Энергия
,
необходимая для перехода электрона с
уровня примеси
в зону проводимости, меньше,
чем энергия перехода электрона
из валентной зоны
.
Благодаря этому при малых температурах концентрация электронов примеси оказывается много больше концентрации собственных носителей.
В силу этого
доминирующую роль в проводимости будут играть электроны, поэтому их будем называть основными носителями заряда,
а дырки – неосновными носителями заряда.
Такой полупроводник называют электронным, или n-типа, а примесь, дающую электроны – донорной.
Если четырехвалентный атом Si замещен трехвалентным атомом элемента третьей группы,
например, В (Al, Ga) (рис.5.6)., то трех его валентных электронов не хватает для заполнения валентных связей с соседними атомами, и образуется вакантная связь, которая может быть заполнена переходом электрона от соседнего атома.
Р
ис.5.7.
Переход
электрона из заполненной связи в
вакантную
– это
переход электрона из заполненной
валентной зоны на локальный уровень
примеси.
Этот переход
освобождает один из уровней в верхней части валентной зоны
и создает в кристалле дырку.
Переход электронов
из валентной зоны на уровни примеси
требует меньшей энергии, чем переход
их в зону проводимости кристалла (
).
Атомы
примеси такого рода называют акцепторными.
Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от атома Si к атому акцепторной примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентной связи кремния.
В силу этого количество дырок значительно больше количества свободных электронов и поэтому в таком полупроводнике
основными носителями заряда будут дырки,
а электроны – неосновными носителями.
Полупроводник с акцепторной примесью носит название дырочного или p-типа.