Примесные полупроводники

 

В ряде случаев в проводники вводят примеси для придания им необходимых электрических свойств. Примесные атомы создают свои собственные энергетические уровни, получившие название примесных уровней. Эти уровни располагаются в запрещенной зоне полупроводника на различных расстояниях от вершины валентной зоны и дна зоны проводимости. Рассмотрим основные типы примесных уровней.

Донорные уровни. Предположим, что в кристалле германия часть атомов германия заменена атомами пятивалентного мышьяка. Германий имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом связан ковалентными (попарно-электронными) связями с четырьмя равностоящими от него соседними атомами.

Для установления связи с этими соседними атомами германия атом мышьяка расходует четыре валентных электрона. Пятый электрон в образовании связи не участвует. Он продолжает двигаться в электрическом поле атома мышьяка, ослабленного в германии в ε = 16 раз (ε — диэлектрическая проницаемость германия), вследствие чего его энергия связи с атомом уменьшается в ε² = 256 раз, становясь равной E_д = 0,01 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости (носитель электрического тока при включении электрического поля).

На языке зонной теории процесс можно представить следующим образом. Между заполненной валентной зоной и свободной зоной проводимости располагаются энергетические уровни пятого электрона атомов мышьяка (рис. 90.1). Эти уровни размещаются непосредственно у дна зоны проводимости, отстоя от нее на расстоянии E_д = 0,01 эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней энергии E_д они переходят в зону проводимости (рис. 90.1). Образующиеся при этом дырки локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.

 

 

Рис. 90.1

 

Примеси, являющиеся источниками электронов проводимости, называют донорами, а энергетические уровни таких примесей — донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называют электронными проводниками, или полупроводниками n-типа.

Акцепторные уровни. Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов германия замещена атомами трехвалентного индия. Для образования ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия у атома индия не хватает одного электрона. Для установления такой связи атом индия отбирает у атома германия один электрон из ковалентной связи соседних атомов германия. Расчет показывает, что для этого требуется энергия E_а = 0,01 эВ.

На языке зонной теории разорванная связь между соседними атомами германия представляет собой дырку, так как она отвечает образованию в валентной зоне германия вакантного состояния. Таким образом, непосредственно у вершины валентной зоны на расстоянии E_а = 0,01 эВ располагаются незаполненные примесные уровни атомов индия (рис. 90.2). При сообщении электронам валентной зоны энергии E_а = 0,01 эВ они переходят на примесные уровни (рис. 90.2). Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решетке германия и в электропроводимости не участвуют. Носителями электрического тока при включении электрического поля являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

 

Акцепторный уровень

Валентная зона

Запрещенная зона

Зона проводимости

Рис. 90.2

 

 

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называют акцепторными, а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие такие примеси, называют дырочными полупроводниками, или полупроводниками p-типа.