Примесные полупроводники

Для придания полупроводниковым приборам требуемых свойств в чистые полупроводники добавляют дозированные примеси других элементов. Примеси бывают донорные и акцепторные.

При внесении в германий или кремний пятивалентных элементов (фосфора Р, мышьяка As, сурьмы Sb и др.) че­тыре валентных, электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с соседними атомами основ­ного вещества. Пятые валентные электроны примесных ато­мов, не участвующие в ковалентных связях, слабо связаны со своим ядром и уже яри комнатной температуре отрыва­ются от атома и становятся свободными.

При этом примесные атомы превращаются в положительные ионы, а оторвавшиеся электроны добавляются к свободным электронам собственной электропроводности. Концентрация электронов в таком полупроводнике оказывается значительно больше, чем концентрация дырок, и протекание тока через него будет в основном определяться движением электронов и в очень малой степени — движением дырок. Такие полупроводники называют полупроводниками n-типа (от латинского слова negative — отрицательный), а пятивалентные примеси — донорами.

Если содержание примесей в полупроводнике мало, то их атомы практически не взаимодействуют между собой, вследствие чего энергетические уровни примесных атомов не расщепляются на зоны. Малая энергия, сообщаемая элек­тронам донорных примесей для их перевода в зону проводимости (эту энергию называют энергией ионизации), свиде­тельствует о том, что энергетические уровни доноров располагаются вблизи дна зоны проводимости полупроводника (рис. 11, а). При низкой температуре вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости во много раз меньше вероятности их перехода с донорных уровней.

При увеличении концентрации доноров их энергетические уровни расщепляются, образуя зону, которая может слиться с зоной проводимости. Такой полупроводник называют вырожденным. В вырожденном полупроводнике концентрация носителей заряда собственной электропроводности очень мала, поэтому свойства такого полупроводника мало зависят от изменений температуры.

При введении в германий или кремний трехвалентных примесей (бора В, индия In, алюминия Аl и др.) три валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с тремя соседними атомами основного вещества.

Для образования четвертой ковалентной связи примесным атомам не хватает по одному электрону.Эти электроны они получают за счет разрыва ковалентных связей у других атомов германия или кремния. При этом на месте разрушенных ковалентных связей образуются дырки, которые добавляются к собственным дыркам и увеличивают тем самым общую концентрацию дырок в полупроводнике. Элек­троны, захваченные атомами примеси, превращают их в отрицательные ионы и, находясь в связанном состоянии, не могут участвовать в электропроводности. Следовательно, в полупроводнике будет преобладать дырочная электропроводность. Такой полупроводник называют полупроводником р-типа (от латинского слова positive — положительный), а входящие в него примеси — акцепторами

На зонной диаграмме энергетические уровни акцепторных примесей располагаются вблизи потолка валентной зоны (рис.2.3, б), поэтому при небольшой дополнительной энергии (0.01...0.05 эВ) электроны из валентной зоны могут переходить на этот уровень, образуя дырки. При увеличении концентрации примесей уровни акцепторов расщепляются, образуя зону, которая может слиться с валентной. Полупроводник становится вырожденным.

Подвижные носители электрического заряда, концентрация которых преобладает в полупроводнике, называются основными, а носители зарядов, концентрация которых в полупроводнике меньше, — неосновными.

Рис.11. Зонные диаграммы полупроводника с донорными (а) и акцепторными (б) примесями.

Введение примесей в полупроводник сопровождается увеличением концентрации основных носителей заряда (n_n или p_p) и пропорциональным уменьшением концентрации неосновных ( n_p или р_n ). При установившейся температуре
произведение концентраций примесей основных и неосновных подвижных носителей заряда связано с концентрациями этих зарядов в собственном полупроводнике уравнением

N_n P_n – P_p N_p = N_i².