Примеси в полупроводниках

На процесс образования свободных электронов и дырок в полупроводнике большое влияние оказывают нарушения правильной структуры кристаллической решетки, а также наличие примесей. Атомы примесей обычно замещают в узлах решетки атомы основного вещества, образуя дефекты замещения. Примесные атомы могут попасть так же в междоузлия и образовать дефекты внедрения.

В полупроводники, используемые для изготовления полупроводниковых приборов, предварительно очищенные от случайных примесей, вводят специальные примеси, обеспечивающие преимущественную концентрацию либо свободных электронов, либо дырок. Для получения преимущественной концентрации электронов в качестве примесей используются вещества с валентностью, превосходящей валентность основного полупроводника. Такие примеси называются донорными. Так, для Ge и Si, валентность которых S=4, в качестве донорных примесей используются пятивалентные P или As. Преимущественная концентрация дырок получается за счет примесей с меньшей валентностью – акцепторных примесей. Такими примесями могут служить трехвалентные бор, Al, In и т.д.

Электронный полупроводник (n-типа)

На рис.5,а показана часть кристаллической решетки Ge вблизи узла, замещенного примесным атомом Р. Четыре валентных электрона Р образуют с валентными электронами четырех соседних атомов Ge парноэлектронные ковалентные связи. Поскольку ковалентная связь насыщенная, пятый валентный электрон не участвует ни в одной из четырех связей. Он связан с атомом примеси лишь кулоновскими силами и поэтому его энергетическое состояние более высокое, а энергия связи с атомом значительно меньше квантово – механической энергии связи для остальных четырех электронов.

Из пространственно – энергетической диаграммы (рис.5,б) видно, что периодическая j-ая функция вблизи атома примеси искажается и пятый валентный электрон, а значит, и атом примеси занимают отдельный локальный энергетический уровень в ЗЗ вблизи дна ЗП. Такое расположение в ЗЗ пятого электрона возможно, потому что он не является свободным электроном, а находится в j-ой яме вблизи своего атома.

Естественно, что для отделения этого электрона от атома – перевода его в ЗП – требуется значительно меньше энергии, нежели для перемещения любого валентного электрона из ВЗ в ЗП ∆E_g < ∆E_з.

Энергия ∆Е_д , требуемая для этого, называется энергией ионизации. При ионизации атома донорной примеси, называемого донором, в зоне проводимости появляется свободный электрон, а сам атом примеси превращается в положительно заряженный ион. В отличие от процесса перехода валентности электрона из валентной зоны в зону проводимости при генерации пар зарядов здесь не появляется дырка, т.к все валентные связи вблизи донорного атома замещены. Таким образом, положительный ион примеси в отличие от дырки – заряд неподвижный, и, следовательно, в процессе ионизации доноров образуются подвижные заряды лишь одного знака – свободные электроны.

Обычно концентрация атомов примеси в полупроводниках составляет 10^-6: 10^-3 %. Поэтому атомы примеси отстоят друг от друга на расстояния, измеряемые, по меньшей мере, сотнями периодов решётки. Волновые ф-ции этих атомов можно считать неперекрывающимися, а их энергетический уровень не расщепляется в энергетическую зону, а образует единый для всех атомов локальный энергитический уровень, располагающийся на зонной диаграмме вблизи дна зоны проводимости (рис.5,в).

Вывод: В полупроводниках с донорными примесями при Т>0°К образуется преимущественная концентрация электронов. Такие полупроводники называются электронными полупроводниками или n-полупроводниками.

Дырочный полупроводник (р-типа).

В случае добавления в полупроводник акцепторной примеси одна из валентных связей вблизи атома- акцептора остаётся незаполненной (рис.6,а).

Рис. 6,а. Примесной атом In в кристалле Ge.

Такое состояние нельзя назвать дыркой, т.к. атом акцептора электрически нейтрален. Потенциальная функция вблизи атомов примеси искажается (рис.6,б).

Рис. 6,б. Положение примесного атома In на потенциальной диаграмме.

  Рис. 6,в. Энергетическая диаграмма р-полупроводника.  

У края потенциальной ямы акцептора энергитический уровень, лежащий несколько выше потолка валентной зоны, остаётся незаполненным.

В результате теплового возбуждения один из валентных электронов соседних атомов может нарушать валентную связь и заместить свободный энергитический уровень (заполнить валентную связь) вблизи атома акцептора. При этом четвёртый электрон связан с акцептором лишь квантомеханическими силами, т.е. его энергетическое состояние окажется выше энергии остальных трёх электронов на величину, примерно равную классической кулоновской энергии. В результате такого перехода вблизи соседнего атома, которому ранее принадлежал рассмотренный электрон, образуется дырка, а атом акцептора превратится в неподвижный отрицательно заряженный ион. Следовательно, в процессе ионизации акцепторов образуется преимущественная концентрация дырок – образуются подвижные носители лишь одного знака. Такие полупроводники называются дырочными или р-полупроводниками. Как и в случае донорных примесей, положение акцепторов в зонной диаграмме характеризуется единым локальным энергетическим уровнем, расположенным вблизи потолка валентной зоны (рис.6,в).

Выводы:

В полупроводнике, в отличие от металлического проводника, ток образуется не только за счет направленного движения (дрейфа) отрицательно заряженных свободных электронов, но и за счет дрейфа положительно заряженных дырок.

1. Электропроводность собственного (беспримесного) полупроводника очень мала, т.к. при комнатной температуре в нем мало носителей заряда – свободных электронов и дырок. Из–за этого собственный полупроводник имеет ограниченное применение в полупроводниковой технике.

Дата добавления: 2015-06-04