Примесные полупроводники

Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей, а также от различных дефектов кристаллической решетки: пустых узлов решетки, атомов или ионов, находящихся между узлами решетки, и т.д. Примеси бывают акцепторные и донорные.

Акцепторные примеси. Атомы акцепторных примесей способны принимать извне один или несколько электронов, превращаясь в отрицательный ион.

Если, например, в германий ввести трехвалентный атом индия, то образуется ковалентная связь между индием и четырьмя соседними атомами германия и получается устойчивая восьмиэлектронная оболочка за счет дополнительного электрона, отобранного у одного из атомов Gе. Этот электрон, будучи «связанным», превращает атом индия в неподвижный отрицательный ион (рис. 1.3, а). На месте ушедшего электрона образуется дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порожденным нагревом (термогенерацией). При этом в полупроводнике концентрация дырок превысит концентрацию свободных электронов собственной электропроводности (р > n). Следовательно, в полупроводнике будет преобладать дырочная электропроводность. Такой полупроводник называют полупроводником р-типа.

При приложении к этому полупроводнику напряжения будет преобладать дырочная составляющая тока.

Если содержание примесей мало, что чаще всего имеет место, то их атомы можно рассматривать как изолированные и энергетические уровни не расщепляются на зоны. На зонной диаграмме (рис. 1.3, б) примесные уровни изображены штрихами. Валентные уровни акцепторной примеси расположены в нижней части запрещенной зоны, поэтому при небольшой дополнительной энергии (0,01—0,05 эВ) электроны из валентной зоны могут переходить на этот уровень, образуя дырку. При низкой температуре вероятность перехода электронов через запрещенную зону во много раз меньше вероятности их перехода из валентной зоны на уровень акцепторной примеси.

Если концентрация примесей в полупроводнике достаточно велика, то уровни акцепторной примеси расщепляются, образуя зону, которая может слиться с валентной зоной. Такой полупроводник называют вырожденным. В вырожденном полупроводнике концентрация носителей заряда собственной электропроводности значительно меньше, чем в невырожденном полупроводнике. Поэтому качественной особенностью их является малая зависимость характеристик полупроводника от температуры окружающей среды. При этом доля тепловых носителей заряда собственной электропроводности по сравнению с примесными носителями будет невелика.

Донорные примеси. Атомы донорных примесей имеют валентные электроны, слабо связанные со своим ядром. Эти электроны, не участвуя в межатомных связях, могут легко перейти в зону проводимости материала, в который была введена примесь. При этом в решетке остается положительно заряженный ион, а электрон добавится к свободным электронам собственной электропроводности. Донорный уровень находится в верхней части запрещенной зоны (рис. 1.4, б). Переход электрона с донорного уровня в зону проводимости происходит тогда, когда он получает небольшую дополнительную энергию. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок, и полупроводник обладает электронной электропроводностью. Такие полупроводники называют полупроводниками n-типа. Если, например, в германий ввести атом пятивалентной сурьмы, то четыре его валентных электрона вступят в ковалентную связь с четырьмя электронами германия и окажутся в связанном состоянии (рис. 1.4, а). Оставшийся электрон сурьмы становится свободным. При этом концентрация свободных электронов будет выше концентрации дырок, т. е. будет преобладать электронная электропроводность. При увеличении концентрации примесей уровни доноров расщепляются, образуя зону, которая может слиться с зоной проводимости. Полупроводник становится вырожденным.

Носители зарядов, концентрация которых преобладает в полупроводнике, называют основными носителями заряда, а носители зарядов, концентрация которых в полупроводнике меньше, чем концентрация основных, - неосновными носителями заряда.

В примесном полупроводнике при низких температурах преобладает примесная электропроводность. Однако по мере повышения температуры собственная электропроводность непрерывно возрастает, в то время как примесная имеет предел, соответствующий ионизации всех атомов примеси. Поэтому при достаточно высоких температурах электропроводность всегда собственная.