Электропроводность полупроводников

(собственная и примесная проводимость)

Все встречающиеся в природе вещества по электрическим свойствам подразделяют на 3 группы: вещества, хорошо проводящие электрический ток – проводники, в основном металлы; вещества, практически не проводящие электрический ток – изоляторы или диэлектрики; вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками – полупроводники. При изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС применяются простые полупроводниковые вещества (как правило, элементы IV группы периодической системы – германий (Ge), кремний (Si)) и сложные полупроводниковые материалы (арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN), карбид кремния (SiC) и др.).

Для полупроводников характерна сильная зависимость их свойств и характеристик от микроскопических количеств содержащихся в них примесей. Изменяя количество примеси в полупроводнике от десятимиллионных долей процента до 0,1-1 %, можно изменить их проводимость в миллионы раз.

Если рассматривать идеализированный полупроводниковый кристалл, абсолютно свободный от каких-нибудь примесей, то его способность проводить электрический ток будет определяться так называемой собственной электропроводностью. В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда (свободных электронов и дырок) невелика и составляет 10¹⁶-10¹⁸ на 1 см³ вещества. Для снижения удельного сопротивления и придания определенного типа электропроводности в чистые полупроводники вносят примеси. Такой процесс называется легированием, а соответствующие полупроводники – легированными или примесными. При наличии примесной электропроводности в полупроводнике имеется два типа носителей: основные, которые появляются за счет введения примеси, и неосновные, обязанные своим появлением тепловому или любому другому воздействию.

В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп периодической системы. Элементы III группы (бор (В), индий (In), алюминий (Al) или галлий (Ga)) создают дырочную электропроводность или p-типа (positive – положительный) и называются акцепторными примесями. Дырки в таких полупроводниках являются основными носителями, а электроны – неосновными. Элементы V группы (мышьяк (As), фосфор (P) или сурьма (Sb)) создают электронную электропроводность или n-типа (negative – отрицательный) и называются донорными примесями. Электроны в таких полупроводниках являются основными носителями, а дырки – неосновными.

Концентрация (содержание в 1 см³) электронов n и дырок p для данного полупроводника приданной температуре есть величина постоянная:

,

где и – концентрация электронов в полупроводнике n-типа и p-типа, соответственно; и – концентрация дырок в полупроводнике n-типа и p-типа, соответственно.

Это означает, что при увеличении в несколько раз за счет введения примеси концентрации носителей данного типа, во столько же раз уменьшается концентрация носителей другого типа.