Примесная проводимость полупроводников

Если в полупроводнике имеется примесь других веществ, то дополнительно к собственной проводимости появляется ещё и примесная проводимость, которая в зависимости от рода примеси, может быть электронной или дырочной. В первом случае такие полупроводники называются полупроводниками n-типа, во втором случае полупроводниками p-типа.

Полупроводник без примеси называют полупроводником с собственной проводимостью. Полупроводник с примесями обладает примесной проводимостью. В природе не бывает чистых полупроводников, то есть однородных по составу. Однако природная примесь в полупроводниках расположена случайно, хаотично, что весьма затрудняет диагностирование их свойств и техническое применение. В настоящее время существуют очень высокие технологии получения чистых полупроводников без примесей. Искусственным образом создают так называемую регулярную примесь, когда атомы примеси располагаются в определённом порядке в кристаллической решётке чистого полупроводника.

Полупроводник n-типа с электронной проводимостью получается, если в решётку чистого полупроводника ввести регулярную примесь вещества, валентность которого больше нежели валентность основного вещества решётки. Такая примесь называется донорной примесью.

Например, германий, будучи четырёхвалентным, превращается в полупроводник с электронной проводимостью (т.е. в полупроводник p-типа), если в состав его решётки добавить примесь пятивалентного вещества, например сурьмы (Sb) или мышьяк (As). Тогда атомы примеси взаимодействуют с атомами германия только четырьмя из пяти электронов внешнего электронного слоя. Пятый электрон, не принимающий участия в связях с решёткой, может легко стать свободным; при этом «дырка» решётке не образуется.

В таких полупроводниках электронная проводимость может значительно преобладать над дырочной, даже если концентрация примеси очень мала по сравнению с концентрацией основного вещества решётки.

На рисунке 39а изображена зонная схема полупроводника n-типа, обладающего электронной проводимостью.

Рис. 39а

Электроны донорной примеси, не принимающие участия в связях с атомами основного вещества кристаллической решётки, заполняют так называемые донорные энергетические подуровни, расположенные немного ниже «дна» зоны проводимости, но значительно выше «потолка» валентной зоны, и поэтому все они могут попасть в зону проводимости под действием электрического поля и стать носителями электрического тока.

Если в чистый полупроводник ввести регулярную примесь из вещества, валентность которого ниже валентности основного вещества кристаллической решётки, то в решётке образуются расположенные в определённом порядке места, незаполненные электронами, носители объёмного положительного заряда величиной +е ₀, то есть «дырки». Такие примеси называются акцептоными.

Полупроводники с акцепторной примесью обладают преимущественной дырочной проводимостью и называются полупроводниками p-типа. На рисунке 39б приводится зонная схема такого полупроводника.

Рис. 39б

Немного выше «потолка» валентной зоны, но значительно ниже «дна» зоны проводимости расположены свободные от электронов энергетические подуровни, называемые «акцепторными» подуровнями, которые легко могут заполнятся электронами из валентной зоны. Тогда в валентной зоне образуются перемещающиеся с одного подуровня на другой «дырки», которые под действием электрического поля становятся основными носителями электрического тока.

Носители заряда, концентрация которых в полупроводнике данного типа преобладает, называются основными. Неосновными носителями являются также частицы, концентрация которых много меньше, чем концентрация основных носителей. Неосновные носители заряда появляются в полупроводнике за счёт его собственной проводимости. Так в полупроводнике n-типа основными носителями являются свободные электроны, а неосновными – «дырки», в полупроводнике p-типа, наоборот, основные – «дырки», неосновные электроны.

Концентрация основных носителей тока в примесных полупроводниках примерно равна концентрации атомов примеси в них.

Роль примеси в проводимости полупроводника очень велика. Ничтожное процентное содержание примеси может увеличить проводимость полупроводника в тысячи раз.

Рассмотрим влияние примеси проводимости полупроводника на примере германия с примесью мышьяка.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов в чистом германии примерно равна 10¹³ 1/см³. Концентрация атомов германия составляет 10²² 1/см³.

Если в решётку добавить на каждый миллион атомов германия один атом мышьяка, что составляет лишь 10^-4 % от числа атомов германия, то в зоне проводимости может оказаться 10¹⁶ свободных электронов на каждый кубический сантиметр решётки, то есть в 1000 раз больше, чем при собственной проводимости германия. А это приведёт к увеличению проводимости в 1000 раз.

Аналогичные рассуждения можно привести и для полупроводников p-типа.

Следует также обратить внимание на то, что проводимость металлов значительно больше проводимости полупроводников, как с собственной, так и с примесной проводимостью. Это объясняется тем, что концентрация свободных электронов металле равна или в несколько раз больше концентрации атомов, то есть примерно 10²² 1/см³, что существенно больше, чем концентрация основных носителей в полупроводниках.

Плотность тока в примесных полупроводниках определяется по формулам:

1) в полупроводниках n-типа

j = e₀nu_-- 21а

2) в полупроводниках p-типа

j = e₀nu₊ 21б

где e₀ – элементарный заряд,

n – концентрация основных носителей

u _– - средняя скорость направленного движения электронов

u₊ - средняя скорость направленного движения дырок

Удельное сопротивление металлов – низкое, ρ_мет = 10 ^-8 – 10 ^-6 Ом · м. В типичных диэлектриках концентрация электронов ничтожна мала и удельное сопротивление ρ_диэл = 10 ⁸ – 10 ¹² Ом · м.

Удельное сопротивление полупроводников может меняться в зависимости от температуры или освещённости в пределах ρ_пп = 10 ^{- 2} – 10 ⁶ Ом · м.

Дата добавления: 2015-05-06