Примесная проводимость полупроводников

Введение в полупроводник примесей сильно влияет на его электрические свойства. Под примесями подразумевают как атомы или ионы посторонних элементов, так и различного рода дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, сдвиги, возникающие при деформациях кристалла, трещины и т.д. Все это вносит дополнительные изменения в периодическое поле кристалла и влияет на поведение электронов и их энергетические состояния.

Если в основную кристаллическую решетку полупроводника вводятся примесные атомы, то независимо от того, где эти атомы располагаются в кристалле, возникают дополнительные энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне и называемые примесными локальными энергетическими уровнями.

Примеси играют двоякую роль. Они могут служить, с одной стороны, дополнительными поставщиками электронов в кристалл, с другой – центрами локализации имеющихся в кристалле электронов.

На рисунке 2.31 условно изображена решетка германия с примесью пятивалентных атомов фосфора. Для образования ковалентных связей с соседями атому фосфора достаточно четырех электронов. Следовательно, пятый валентный электрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения, образуя странствующий свободный электрон.

В отличие от случая, рассмотренного ранее, образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т.е. образованием дырки. Хотя в окрестности атома примеси возникает избыточный положительный заряд, но он связан с этим атомом и не может перемещаться по решетке. Благодаря этому заряду атом примеси может захватить приблизившийся к нему электрон, но связь захваченного электрона с атомом будет непрочной и легко нарушается вновь за счет тепловых колебаний решетки.

Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, имеется основной вид носителей заряда – электроны. Соответственно, такой полупроводник обладает электронной проводимостью, т.е. является полупроводником n-типа. Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами.

На рисунке 2.32 условно изображена решетка кремния с примесью трехвалентных атомов бора. Трех валентных электронов атома бора недостаточно для образования связей со всеми четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется неукомплектованной и будет представлять собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникает дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникнет избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока.

Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, имеется основной вид носителей заряда – дырки. Соответственно, такой полупроводник обладает дырочной проводимостью, т.е. является полупроводником р-типа. Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными.

Электронный характер проводимости полупроводников n-типа и дырочный характер проводимости полупроводников р-типа подтверждается экспериментально при исследовании эффекта Холла. Наблюдаемый знак холловской разности потенциалов соответствует в полупроводниках n-типа отрицательным носителям заряда, а в полупроводниках р-типа - положительным носителям заряда.

В случае полупроводников n-типа примесные уровни, образующиеся в запрещенной зоне кристалла, называются донорными (рис. 2.33 а), в случае полупроводников р-типа – акцепторными (рис. 2.33 б). Для перевода электронов с донорного уровня в зону проводимости нужна незначительная энергия активации электронной проводимости, которую он может получить при тепловом возбуждении. Для перехода электронов вследствие теплового возбуждения из валентной зоны на локальные акцепторные уровни также нужна незначительная энергия активации дырочной проводимости.

Уровень Ферми при Т=0 К в примесных полупроводниках зависит от типа примесной проводимости. У полупроводников n-типа , у полупроводников р-типа . Влияние температуры на положение уровня Ферми имеет сложный характер (рис. 2.34), различный для n- и р-типов примесных полупроводников. Для n-типа полупроводников сначала растет с повышением температуры, затем убывает, стремясь к , когда осуществляется переход к собственной проводимости при высокой температуре. Для р-типа примесной проводимости сначала растет с ростом Т, затем убывает, стремясь к , когда осуществляется переход к собственной проводимости при высокой температуре.

Концентрация носителей заряда складывается из концентрации носителей при собственной и примесной проводимостях:

Каждая из этих концентраций растет с повышением температуры по экспоненциальному закону

~

~

При повышении температуры концентрация примесных носителей заряда быстро достигает насыщения. Это означает, что практически освобождаются все донорные или заполняются электронами все акцепторные уровни. Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степени начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, при низких температурах преобладает примесная, а при высоких – собственная проводимость.