Примесные полупроводники.

Для создания полупроводниковых приборов требуются материалы с широким спектром различных свойств, в том числе и с самой разной электрической проводимостью. Как уже указывалось, на свойства твёрдого тела большое влияние оказывают всякого рода примеси – это и привело к созданию примесных полупроводников – самого распространённого материала современной электроники.

Если в качестве примеси к четырёхвалентному кремнию взять пятивалентный элемент (мышьяк, фосфор, сурьму), то пятивалентные атомы примеси, располагаясь в узлах кристаллической решётки, заполняют четыре валентные связи соседних атомов (рис. 2.3 – а). Пятый валентный электрон примесного

Рисунок 2.3. Донорный полупроводник: образование электрона проводимости – а); энергетическая (зонная) диаграмма донорного полупроводника – б).

атома, являясь лишним в единой структуре валентных связей кристалла, слабо связан с узлом (атомом примеси). Под действием тепловых колебаний он отрывается от атома и становится свободным электроном проводимости. Оставшийся в узле пятивалентный атом фосфора превращается в положительный ион, который будучи закреплённым в узле кристаллической решётки остаётся неподвижным и участвовать в создании электропроводимости не может. Однако в целом кристалл остаётся электронейтральным, так как положительные заряды ионов полностью уравновешиваются отрицательными зарядами электронов проводимости.
На рис. 2.3 –б показана зонная диаграмма полупроводника с примесью, имеющей валентность большую, чем валентность собственного полупроводника. При малой концентрации примесей вероятность непосредственного перехода электронов между атомами примеси ничтожно мала. (в реальных материалах на один атом примеси приходится 10⁵ – 10⁸ атомов основного вещества). Однако примеси могут поставлять электроны в зону проводимости полупроводника – в этом случае примесь, отдающая электроны, называется донорной. Из – за слабого взаимодействия далеко расположенных друг от друга атомов примесей, их энергетические уровни не расщепляются в зону и находятся на потолке запрещённой зоны на «расстоянии» всего (0,05 – 0,1) эВ от дна зоны проводимости. При внешнем возбуждении электроны с примесных уровней могут легко переходить в свободную зону (переходы 1 на рис.2.3) и участвовать в процессе электропроводности, ибо энергия (энергия ионизации W_д = (0,05 – 0,1) эВ) , необходимая для таких переходов, значительно меньше ширины запрещённой зоны. При реальных температурах работы полупроводниковых приборов практически все атомы примеси отдают свои «лишние» электроны в зону проводимости. Очевидно, что при этом идёт и процесс термогенерации собственных носителей (переходы 2) с образованием пары – электрон в зоне проводимости и свободный энергетический уровень – дырка – в валентной зоне. В результате в таких материалах концентрация электронов существенно больше концентрации дырок, поэтому они получили название полупроводников n – типа , n – полупроводников, донорных полупроводников. (ещё одно название – электронный полупроводник). Кроме того, поскольку электронов в таких полупроводниках n_n много больше чем дырок p_n, т.е. n_n >> p_n, то электроны называют основными носителями зарядов, а дырки – не основными носителями. (n_n - читается: n электронов в n полупроводнике; p_n – р дырок в n – полупроводнике)

Введём в кристаллическую решётку кремния примесь какого – нибудь трёхвалентного вещества, например, алюминия. Для установления химических связей с четырьмя соседними атомами у примесного атома не хватает одного электрона, следовательно одна валентная связь будет не заполнена (см. рис2.4). Необходимость в установлении связи с четырьмя атомами приводит к тому, что атом примеси захватывает недостающий электрон у соседнего атома кремния.

Рисунок 2.4. Акцепторный полупроводник: образование дырки проводимости – а); энергетическая (зонная) диаграмма акцепторного полупроводника – б).

В результате примесный атом превращается в отрицательный ион. Будучи закреплённым в узле решётки ион примеси, хотя и содержит заряд, в создании электропроводности участвовать не может. Как уже отмечалось, неукомплектованная валентная связь представляет собой дырку проводимости, поэтому захват атомом примеси валентного электрона у соседнего атома кремния приводит к тому, что этот атом становится положительным ионом, вблизи которого имеется дырка, т.е. атом примеси привносит в полупроводник дополнительные дырки, которые за счёт эстафетных переходов электронов от атома к атому может перемещаться по кристаллу. В данном случае примесь захватывает электроны основного вещества, поэтому её называют акцепторной (принимающей электроны), полупроводник – акцепторным или р – полупроводником (дырочный полупроводник). С позиции зонной теории акцепторная примесь занимает незаполненные уровни, расположенные в запрещённой зоне над потолком валентной зоны (рис. 2.4 – б) и отстоящие от неё на величину энергии ионизации акцепторов W_а = (0,05 - 0,1) эВ. Эти уровни называются акцепторными уровнями. Благодаря тепловому возбуждению электроны из валентной зоны полупроводника забрасываются на эти свободные уровни (переходы 1 на рис.2.4 – б), оставляя в валентной зоне незаполненные уровни – дырки проводимости. Ввиду разобщённости атомов примеси, электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в создании электрического тока. Очевидно, что из – за малости энергии ионизации примеси W_а при нормальных рабочих температурах все акцепторные атомы ионизованы и полупроводник имеет концентрацию дырок р_р значительно большую, чем концентрация электронов n_p p_p >> n_p. По аналогии с донорными полупроводниками процесс термогенерации пары электрон в зоне проводимости – дырка в валентной зоне (переходы 2) добавляет мало электронов проводимости, поэтому в акцепторных полупроводниках основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны.

Итак, основные положения.

Собственные полупроводники – химически чистые вещества являются идеальными диэлектриками при температуре абсолютного нуля и обладают электронной и дырочной проводимостью при реальных температурах, причём концентрации дырок и электронов всегда равны и зависят от температуры и ширины запрещённой зоны.

Донорные полупроводники обладают электронной проводимостью, концентрация электронов (основных носителей) в них много больше концентрации дырок (неосновных носителей). Получают донорные полупроводники внесением (легированием) примеси с валентностью, превышающей валентность основного вещества.

Акцепторные полупроводники обладают дырочной проводимостью, концентрация дырок (основных носителей) в них существенно больше концентрации электронов (неосновных носителей). Получают акцепторные полупроводники внесением (легированием) примеси с валентностью, меньшей валентности основного вещества.