Вопрос 3.Примесны пп n-типа. Зонная диаграмма.

Полупроводники, у которых концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок (свободных уровней в ВЗ), называются полупроводниками с электронной электропроводностью или полупроводниками n-типа (negatively). Такое соотношение создается путем внесения в пп донорной примеси (5-ти валентных атомов As, P, Sb для 4-х валентного кремния).

Один электрон донора не образует ковалентную связь и значительно слабее связан с атомом. Для его отрыва нужна малая энергия εi < 0,1 эВ, называемая энергией ионизации (активации). При комнатной температуре практически все доноры ионизированы. Ионизация доноров (потеря электрона) приводит к появлению положительно заряженных неподвижных ионов – их концентрация N_Д* равна концентрации “донорных” электронов. Так как εi < 0,1 эВ<<∆_З, то локальные уровни доноров располагаются на зонной диаграмме в ЗЗ у дна ЗП.

Кроме того, как и в собственном пп образуются электронно-дырочные пары, для чего требуется энергия  >∆_З1эВ >> i.

, (1.16)

Концентрация атомов кремния в кристалле составляет N_Si=510²² атом/см³. Концентрация атомов примеси N_Д=10¹⁴10¹⁸ атом/см³. При Т=300 К все атомы примеси ионизированы и n= N_Д*=10¹⁴10¹⁸ см ^3, а n_i=p_i=10¹⁰ см ^3.

Примесь вносится очень малыми дозами – 1 атом примеси приходится на 10⁴10⁸ атомов основного материала, но проводимость определяется именно примесью.

Поделим выражения (1.7) и (1.8) при Nc= Nv с учетом _Е=(_С+_V)/2:

Выразим уровень Ферми

. (1.17)

Для собственного полупроводника n=p=ni=pi и _F=_Е. Подставим р из (1.12)

_F=_Е+_Tln(n/n_i)  _Е +_Tln(N_Д*/n_i). (1.18)

Второе слагаемое – химический потенциал (определяется концентрацией примеси), а уровень Ферми называют электрохимическим потенциалом (сумма электрического и химического). Для n-типа n>>p, n>>ni, уровень Ферми _Fn смещен от центра к зоне проводимости.

Вопрос 4. Примесны пп p-типа. Зонная диаграмма.

Полупроводники, у которых концентрация свободных уровней в ВЗ - дырок превышает концентрацию свободных электронов в ЗП, называются полупроводниками с дырочной электропроводностью или полупроводниками р-типа (positively). Полупроводники р-типа создаются путем внесения в пп акцепторной (accept- принимать), 3-х валентной примеси (B, Ga, Al).

Акцептор для образования валентных связей с четырьмя соседними атомами кремния захватывает недостающий электрон из валентной зоны путем разрыва валентной связи между атомами кремния. Для этого нужна малая энергия ионизации εi < 0,1 эВ. Акцептор ионизируется – превращается в отрицательный ион, а на месте захваченного электрона образуется дырка. Локальные уровни акцепторов располагаются на зонной диаграмме в ЗЗ у потолка ВЗ.

Рис. Зонная диаграмма

(1.19)

Подставим в (1.17) значение n из (1.12)

_F=_Е+_Tln(n_i/p)= _Е_Tln(p/n_i)  _Е _Tln(N_А*/n_i), (1.20)

Для n-типа pn, уровень Ферми _Fp смещен к валентной зоне.

. (1.17)