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 (рис.5а).

Рис.5

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 , гораздо меньшая чем Eg.

На энергетических диаграммах это отображается появлением разрешенных уровней в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (рис. 5б). 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 = 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 запрещенной зоны приводит к тому, что при той же температуре концентрация носителей заряда резко увеличивается. Например, при T = 300K и концентрации атомов мышьяка 10¹⁵ см^-3, концентрация примесных электронов n_d = 4^.10¹⁵ см^-3, в то время как концентрация собственных электронов n_i = 1,1^.10¹⁰ см^-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 тока - электроны. Примеси, которые создают избыточные электроны, 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):

.

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.

Рис.6

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 (рис. 6а). В результате у атома кремния возникает неполная связь, способная перемещаться по кристаллу (дырка). Такие примеси называют акцепторами. Необходимая для захвата электрона энергия равна D E_p = 0,045 эВ.

Соответствующие акцепторам примеси создают энергетические уровни вблизи потолка валентной зоны (рис. 6б).

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 уровни энергии размещаются вблизи дна зоны проводимости, акцепторные - вблизи потолка валентной зоны. Чем глубже к середине запрещенной зоны находится уровень, тем меньше влияет он на создание свободных носителей в полупроводнике.

Можно привести аналогичные иллюстрации с другими примесями. Но необходимо отметить еще раз, что наличие в кристалле примесей и дефектов приводит к появлению в запрещенной зоне энергетических уровней, положение которых зависит от типа примеси или дефекта. Так, примесные атомы бора B (3 группа периодической таблицы элементов) в кристалле Si принимают электроны из валентной зоны, что ведет к образованию дырок и возникновению дырочной проводимости (легированный акцепторной примесью материал приобретает проводимость "p" типа).

Атомы фосфора P (5 группа) в кристалле Si отдают электроны в зону проводимости,
что приводит к возникновению электронной проводимости (легированный донорной примесью материал приобретает проводимость "n" типа).

Таким образом, когда речь идет о примесной проводимости, то концентрация положительно заряженных дырок примерно равна концентрации отрицательно заряженных атомов акцепторной примеси (элементов третьей группы, захвативших валентный электрон). Концентрация электронов примерно равна концентрации положительно заряженных доноров (элементов пятой группы, отдавших электрон).

Акцепторный центр может захватывать свободную дырку и становиться нейтральным, пока снова не ионизируется, отдав дырку. Аналогично донорный уровень может захватывать свободный электрон и так же на некоторое время становиться нейтральным.

При ионизации акцепторного атома, он захватывает электрон и заряжается отрицательно, при этом в валентной зоне кристалла появляется свободная дырка. При низких температурах большая часть акцепторной примеси не ионизована и уровень Ферми расположен между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем. При повышении температуры число электронов, переходящих из валентной зоны на акцепторный уровень возрастает, соответственно возрастает и концентрация дырок. При этом уровень Ферми приближается к акцепторному уровню (левая диаграмма). При некоторой температуре вся примесь оказывается ионизованной и концентрация дырок (возникших за счет акцепторов), перестает изменяться. Это область истощения акцепторной примеси (уровень Ферми в этой области выше акцепторного уровня). При дальнейшем увеличении температуры, наступает момент, когда концентрация носителей заряда, возникающих при возбуждении электронов из валентной зоны в зону проводимости, становится больше концентрации акцепторной примеси и зависимость концентрации дырок от температуры принимает такой
же вид, что и в собственном полупроводнике, при этом уровень Ферми находится вблизи середины запрещенной зоны.

При ионизации донорного атома, он отдает электрон в зону проводимости и заряжается положительно. При низких температурах большая часть донорной примеси не ионизована и уровень Ферми расположен между дном зоны проводимости и донорным уровнем. При повышении температуры число электронов, переходящих с донорного уровня в зону проводимости возрастает, соответственно возрастает и концентрация свободных электронов. При этом уровень Ферми приближается к донорному уровню (левая диаграмма). При некоторой температуре вся примесь оказывается ионизованной и концентрация электронов (возникших за счет ионизации доноров), перестает изменяться. Это область истощения донорной примеси (уровень Ферми в этой области ниже донорного уровня). При дальнейшем увеличении температуры, наступает момент, когда концентрация электронов, возникающих при их возбуждении из валентной зоны в зону проводимости, становится больше концентрации донорной примеси и зависимость концентрации электронов от температуры принимает такой же вид, что и в собственном полупроводнике, при этом уровень Ферми находится вблизи середины запрещенной зоны.

Дата добавления: 2015-07-13