Примесная проводимость в полупроводниках

Свободные носители заряда могут быть созданы в полупроводнике также путем введения в кристалл примесей. Рассмотрим ситуацию, когда в 4-х валентный проводник, например, в кремний, попадает атом пятивалентного вещества, например, мышьяк - As или фосфор - P (см. рис.).

Атом донора (As) в кристалле кремния

       Наличие пяти валентных электронов говорит о том, что As способен организовывать химические связи с пятью соседними атомами. Но в кристаллической решетке кремния у него имеется только четыре соседних атома, с которыми можно образовать связи, поэтому только четыре из пяти валентных электронов мышьяка оказываются включенными в химические связи и, вследствие этого прочно связанными в электронных орбитах. Оставшийся (пятый) электрон оказывается слабосвязанным. То есть, хотя он и удерживается атомом мышьяка, но гораздо слабее и для того, чтобы разорвать связь этого пятого электрона с атомом As и сделать его свободным, требуется энергия DE_n, гораздо меньшая чем Eg.

Уровни энергии в полупроводнике с донорными примесями

       На энергетических диаграмме это отображается появлением разрешенных уровней в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (см. рис.). При T= 0K эти уровни заняты электронами, но с ростом температуры (или при другом возбуждении) они становятся поставщиками свободных электронов в зоне проводимости.

Для As в кремнии E = 0,05 эВ, что в 20 раз меньше величины E_g. Это означает, что при нагреве кристалла пятый электрон "оторвется" при температурах, гораздо более низких, чем это необходимо для генерации электронно-дырочных пар в собственном полупроводнике. Посмотрим еще раз таблицу 1. Видно, что уменьшение ширины энергетической щели приводит к тому, что при той же температуре концентрация носителей заряда резко увеличивается. Например, при T = 300K и концентрации атомов мышьяка 10 ¹⁵см^-3, концентрация примесных электронов n_d = 4^.10¹⁵см^-3, в то время как концентрация собственных электронов n_i = 1,1^.10¹⁰см^-3, то есть в 40000 раз меньше.

Таким образом, атомы пятивалентной примеси легко превращаются в ионы, отдавая четырехвалентному полупроводнику свои "лишние" электроны, незадействованные в связях. Вследствие этого в кристалле создаются дополнительные носители заряда - электроны. Такие примеси называют донорами. Обратите внимание на то, что, в отличие от собственного полупроводника, рождение свободного электрона за счет ионизации примеси не сопровождается одновременным появлением дырки, поскольку при этом не разрушаются межатомные связи. В результате, концентрация свободных электронов (n) в кристалле с донорными примесями значительно больше концентрации дырок (p): n >> p .

В такой ситуации электроны будут являться основными, а дырки - неосновными носителями заряда. Полупроводники с донорными примесями называют полупроводниками n-типа (от англ.negative - отрицательный, по знаку основных носителей заряда) или электронными полупроводниками.

Атом акцептора (In) в кристалле кремния

       Возможна и противоположная ситуация, когда в четырехвалентный полупроводник вводится трехвалентная примесь, например индий - In или алюминий - Al. Для образования связей с четырьмя соседними атомами ему не хватает одного валентного электрона. В этом случае атом примеси может легко захватить недостающий электрон у соседнего атома кремния (см. рис.). В результате у атома кремния возникает неполная связь, способная перемещаться по кристаллу (дырка). Такие примеси называют акцепторами. Необходимая для захвата электрона энергия равна DE_p = 0,045 эВ.

Уровни энергии в полупроводникес акцепторными примесями

       Соответствующие акцепторам примеси создают энергетические уровни вблизи потолка валентной зоны (см. рис.)

Рождение примесных дырок не приводит к образованию электронно-дырочных пар, и концентрация дырок в полупроводнике с акцепторными примесями

Дырки в данном случае являются основными носителями заряда, а сам полупроводник называют полупроводником p - типа (от англ. positive - положительный) или дырочным полупроводником.

Таким образом, как мы видим, в запрещенной зоне могут располагаться допустимые энергетические уровни, создаваемые примесями в полупроводнике. В зависимости от их положения они могут быть донорными или акцепторными. Донорные примеси размещаются вблизи дна зоны проводимости, акцепторные - вблизи потолка валентной зоны. Чем глубже к середине запрещенной зоны находится уровень (больше DE), тем меньше влияет он на создание свободных носителей в полупроводнике.