Примесная проводимость полупроводников

Полупроводники с малыми добавками примесей играют особую роль в физике и технике. Ничтожные добавки примесей или дефекты структуры радикально меняют электрические свойства материала, причём характер этих свойств определяется валентностью атомов примеси.

1. п полупроводники

Пусть атом примеси имеет валентность на единицу больше, чем основного элемента (в нашем случае Ge). Такой элемент может быть взят из V группы периодической системы, например, фосфор (P), Встраиваясь в кристаллическую решётку германия (рис.), атом такого элемента отдаёт для ковалентной связи четыре электрона. Пятый не находит себе пары и оказывается слабосвязанным с кристаллической решёткой.

Чтобы попасть в зону проводимости ему достаточно преодолеть барьер (DЕ_Д), значительно меньший, чем ширина запрещённой зоны (DЕ). Таким образом, фактически он оказывается на уровне, внедрённом в запретную зону германия, ближе к зоне проводимости.

Даже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды (дырки) локализуются на неподвижных атомах фосфора и в проводимости не участвуют.

Пятивалентный элемент в кристаллической решётке германия становится поставщиком электронов проводимости – донором.

Поэтому примеси, которые отдают электроны в зону проводимости кристалла, называют донорными, уровни, внедрённые в запретную зону германия – донорными уровнями.

Таким образом, в полупроводниках n-типа (или п полупроводниках) также присутствуют в наличии электроны и дырки, но в отличие от чистых полупроводников:

· количество электронов гораздо больше количества дырок

N_n >> N_p ;

· электроны являются основныминосителями тока ( их много);

· дыркиявляются неосновными носителями тока (они есть, но их очень мало);

· Концентрация электронов проводимости при достаточно низких температурах, когда не проявляется собственная проводимость, оценивается по формуле

где n_Д − концентрация атомов донорных примесей.

· уровень Ферми Е_F у п- полупроводников при 0 К расположен посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем (рис.),

С повышением температуры все большее число электронов переходит из донорных состояний в зону проводимости, но, помимо этого, возрастает и число тепловых флуктуаций, способных возбуждать электроны из валентной зоны и перебрасывать их через запрещенную зону энергий. Поэтому при высоких температурах уровень Ферми имеет тенденцию смещаться вниз (сплошная кривая) к своему предельному положению в центре запрещенной зоны, характерному для собствен­ного полупроводника.

2. р - полупроводники

Если вводить в кристаллическую решётку полупроводника трёхвалентные атомы третьей группы периодической системы, например бор (B), галий (Ga), индий (In), то для насыщения ковалентных связей одного электрона на атом будет не хватать. Не скомпенсированная связь атома германия готова принять любой электрон соседнего атома, гарантируя затрату энергии существенно ниже чем ширина запрещённой зоны.

Таким образом, в запрещённую зону кристаллической решётки германия оказывается внедрённым уровень, весьма близкий к валентной зоне. Переход на этот (акцепторный) уровень электронов из валентной зоны (рис.) равносилен образованию дырки.

При наложении внешнего электрического поля диффузия дырок определит направленное движение положительного заряда – электрический ток. Примесную проводимость, обусловленную внедрением акцепторных уровней и образованием дырок назвали дырочной (р – тип)..

В полупроводниках р-типа (или р - полупроводниках):

· количество дырок гораздо больше количества электронов

N_p >>; N_n