Примеси в полупроводниках

Примесь в ПП может замещать собственный атом в узле кристаллической решетки и характер электропроводности, которую эта примесь вызовет, определяется ее валентностью. Атомы примесей с большей валентностью (относительно валентности простого ПП) поставляют дополнительные свободные электроны и являются донорами, а атомы примесей с меньшей валентностью принимают электроны из валентной зоны, образуя дополнительные дырки, являются акцепторами. Рассмот­рим механизм образования носителей заряда в примесных ПП.

Пусть атом кремния (элемента 1У группы таблицы Менделеева) в кристаллической решетке замещен атомом фосфора (элемента У группы) (рисунок 3.1, б). Четыре из пяти валентных электронов фосфора будут участвовать в образовании ковалентных связей с 4-мя ближайшими атомами кремния, а пятый электрон будет связан только со своим атомом. Прочность такой связи намного меньше прочности ковалент­ной связи, т.е. энергия ионизации примеси Е_Д = 0,044 эВ, необхо­димая для отрыва этого электрона, гораздо меньше ширины запрещен­ной зоны Si ΔЕ = 1,12 эВ. Следовательно, достаточно очень небольшой дополнительной энергии, чтобы этот пятый электрон на внешней орбите атома фосфора оторвался от него и стал электроном проводи­мости. Образовавшийся положительный ион фосфора остается, неподвижным в узле решетки, носителями заряда становятся пятые вален­тные электроны фосфора. Таким образом, пятивалентный фосфор яв­ляется донорной примесью в четырехвалентном кремнии.

Теперь рассмотрим случай замещения атомов кремния атомами трехвалентного элемента (элемента Ш группы таблицы Менделеева), например, бора. Все три его валентных электрона участвуют в образовании ковалентных связей с атомами кремния, но одна связь остается незавершенной, т.е. появляется дырка. Заполнить это вакан­тное место (дырку) сможет электрон соседнего атома кремния, для чего потребуется очень малая энергия ΔЕ_А = 0,046 эВ (в случае бора в кремнии), т.е. электрон из валентной зоны переходит на уровень ΔЕ_А (рисунок 3.2), оставляя вакансию-дырку. Образовавшийся отрицательный ион бора остается в узле кристалла неподвижным, а дырка перемещается по связям атомов кремния и обеспечивает его проводимость. Примесь, захватывающая электроны, называется акцеп­торной.

Существуют также примеси, не оказывающие влияния на электропроводность ПП. Их называют нейтральными. Например, для Si это элементы 1У группы таблицы Менделеева: олово, свинец, германий, инертные газы, водород, азот.

Некоторые примеси могут не только замещать атомы ПП в узлах кристаллической решетки, но и внедряться в междоузлие, Они могут играть роль и доноров, и акцепторов, их энергетические уровни обычно лежат далеко от дна зоны проводимости и от потолка валент­ной зоны и называются глубокими, а примеси - амфотерными. Напри­мер, золото в запрещенной зоне Si имеет донорный уровень Е_Д =0,3 эВ и акцепторный Е_А = 0,39 эВ. Эти уровни еще называют рекомбинационными ловушками.

Одним из критериев выбора элемента-примеси является предел растворимости. Высокий предел растворимости необходим для сильно­го легирования, например, при создании эмиттерных областей транзистора, кроме того, нужно учитывать коэффициент диффузии примеси. Если уже в кристалле созданы области транзистора, например, база, то коэффициент диффузии примеси для создания следующей эмиттерной области транзистора должен быть небольшим, чтобы не произошло смещения границы областей. Примесь также не должна вно­сить существенные искажения в решетке ПП кристалла, поэтому ее ионный радиус должен быть близким к ковалентному радиусу атома ПП. Относительные размеры ионов различных элементов даны в ангстремах (I Å = 10^-10 м) на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3

В кристалле кремния наибольшие дефекты в кристаллической решет­ке будет вносить донор - сурьма Sb, а наименьшие - мышьяк As .