Примесные полупроводники

Если в полупроводник вводится некоторая примесь, например пятивалентного элемента (сурьмы, фосфора, и т.п.), то атомы примеси частично заместят атомы полупроводника в кристаллической решетке, отдав четыре электрона на образование ковалентных связей. Пятый электрон будет «лишним» и его связь с атомом примеси окажется очень слабой (Рис. 1.9).

Рис.1.9. Структура примесного n-полупроводника.

Достаточно будет сообщить ему небольшую энергию, чтобы электрон перешел в зону проводимости и смог перемещаться по кристаллу. Проводимость такого полупроводника будет преимущественно электронной, поэтому он называется электронным или полупроводником n-типа. Примесь, приводящая к данному результату, называется донорной.

Рис.1.10. Переход электрона с донорного уровня

в зону проводимости.

В зонной диаграмме такого полупроводника (Рис. 1.10) появится дополнительная узкая энергетическая зона (донорный уровень), расположенный вблизи зоны проводимости. Так как на этом уровне есть электроны, то им легче перейти в зону проводимости, чем из валентной зоны.

Рис.1.11. Структура примесного p-полупроводника.

Можно реализовать и другую ситуацию, - ввести в собственный полупроводник примеси трехвалентных элементов (бора, индия и т. п.). В этом случае для образования ковалентной связи одного электрона будет не хватать и в этом месте образуется дырка.

Рис.1.12. Переход электрона из валентной зоны

на донорный уровень.

Проводимость такого полупроводника будет иметь преимущественно дырочный характер, а сам он будет называться дырочным или полупроводником p-типа. Такая примесь называется акцепторной, а её энергетический уровень располагается вблизи валентной зоны. При этом электронам из валентной зоны будет достаточно легко перейти на акцепторный уровень, оставив вместо себя дырки, которые и будут определять характер проводимости полупроводника.

Введение примеси в собственный полупроводник называется легированием. Носители, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными, а те, которых меньше - неосновными. Так как в n-полупроводниках , то основными носителями там являются электроны, а в p-полупроводниках - дырки.

Для любых типов полупроводников справедливо соотношение: , из которого следует, что при увеличении концентрации, электронов (при данной температуре) во столько же раз уменьшается концентрация дырок и наоборот.

Добавление небольших количеств примеси резко увеличивает концентрацию основных носителей и соответственно электропроводность полупроводника, так как уже при невысоких температурах энергии теплового движения будет достаточно, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторный уровень.

Рис.1.13. Зависимость количества свободных зарядов полупроводника от концентрации введенной примеси и температуры.

Однако примесный характер проводимости сохраняется лишь в определенном диапазоне температур, зависящем от концентрации введенной примеси N.

Это связано с тем, что при очень низких температурах (порядка -220°C для Ge и -170°C для Si) резко уменьшается количество свободных носителей. Практически все они оказываются связанными и полупроводник по характеру проводимости приближается к собственному.

При высоких температурах (порядка +100°C для Ge и +250°C для Si) количество генерируемых электронно-дырочных пар становится настолько большим, что маскирует примесный характер проводимости.

С ростом концентрации примеси (степени легирования) температурный диапазон сохранения примесного характера проводимости расширяется. Сильно легированные (низкоомные) полупроводники обычно обозначаются символами n⁺, p⁺. С увеличением степени легирования будет возрастать ширина примесного уровня и может возникнуть ситуация, когда он сольется с зоной проводимости (для донорной примеси), либо с валентной зоной (для акцепторной примеси). Такой полупроводник называется вырожденным, или полуметаллом.

Если в чистый полупроводник одновременно вводятся примеси обоих типов в одинаковых концентрациях, то лишние электроны доноров займут вакантные места в связях у акцепторов и по структуре такой полупроводник будет похож на собственный. Он называется скомпенсированным.

Вследствие того, что носители тока в полупроводниках связаны с кристаллической решеткой, возможна еще одна причина направленного движения электронов и дырок, помимо дрейфа в электрическом поле. Эта причина возникает, если концентрация носителей по объему полупроводника неодинакова (неравновесна). В данной ситуации возникнет движение носителей в направлении, где их концентрация меньше и потечет ток, который называется диффузионным. Создать неравновесную концентрацию носителей можно, если, к примеру, один конец полупроводника нагреть, а другой охладить.

В любом полупроводнике одновременно происходят процессы и генерации и рекомбинации носителей. С ростом подводимой энергии этот процесс смещается в сторону генерации и наоборот. Среднее время, в течение которого электрон находится в зоне проводимости, то есть время с момента разрыва ковалентной связи до момента ее восстановления (регенерации), называется временем жизни. Такое же понятие можно ввести и для дырок.

Дата добавления: 2014-01-06