Примеси замещения. Ковалентные структуры типа алмаза

Германий и кремний — элементы четвертой группы таблицы Менделеева — имеют структуру алмаза, где каждый атом окружен 4 ближайшими соседями. Здесь есть действуют ковалентные связи.

Для выяснения роли атома замещения в решетке германия заменяют реальную трехмерную решетку плоской сеткой, как на рисунке а. Валентные электроны закреплены за своими атомами и не блуждают по кристаллу. Если на место одного из атомов полупроводника в какой-либо узел решетки попадает посторонний атом другой химической природы и иной валентности, система валентных связей в этом месте кристалла нарушена, могут быть 2 случая

а - без примесей; б -с донорной примесью мышьяка; в - с акцепторной примесью индия

Кристаллическая решетка германия с примесью мышьяка — элемент пятой группы, у которого на внешней орбите расположено пять электронов (рисунок б). Попав в узел решетки германия и связав четыре из своих электронов, такая примесь дает избыточный слабо связанный электрон 1. Атом примеси, потерявший электрон, представляет собой положительно заряженную частицу, неподвижно закрепленную в данном месте решетки полупроводника. В этом случае примесь элемента пятой группы периодической системы будет донорной.

В решетке германия находится примесь — элемент 3 группы — индий, имеющий на внешней орбите 3 валентных электрона, эта примесь создает в решетке дырку (рисунок в). В данном случае атом примеси может заимствовать электрон у одного из соседних атомов германия и стать отрицательно заряженной частицей, неподвижно закрепленной в данном месте решетки полупроводника, а дырка начнет блуждать по кристаллу. При приложении электрического поля (рисунок в), электрон будет взят от левого атома германия, который при этом получит положительный заряд и, захватит электрон от следующего атома, т.е. дырка будет направленно передвигаться справа налево. На самом деле в этом случае движутся только электроны 1, 2, 3, 4-й, но их эстафетное перескакивание с атома на атом можно формально описать как движение одной дырки, перемещающейся в направлении, обратном направлению движения электронов, т.е. в направлении поля. Примесь элемента третьей группы периодической системы будет акцепторной.