Электропроводность примесных полупроводников

Рис. 1.3. Примесные полупроводники n-типа: а–механизм образования электрона проводимости; б–энергетическая диаграмма

Таким образом, вводимая примесь элементов 5-й группы является поставщиком электронов, в связи с чем ее называют донорной, а сами атомы примеси – донорами. Полупроводник называется электронным или п-типа.

На энергетической диаграмме ПП п-типа (рис. 1.3, б) уровни валентных электронов атомов доноров Wд, а также уровень Ферми находятся в верхней части запрещенной зоны. Поскольку концентрация атомов примеси мала, то уровни электронов атомов доноров Wд не расщепляются в зоны, они показаны в виде отдельных локальных уровней. Число локальных уровней определяется количеством атомов доноров.

При увеличении концентрации примесей уровни доноров расщепляются, образуя зону, которая может слиться с зоной проводимости. Такой полупроводник называется вырожденным.

В полупроводниках р-типа в качестве примесей используются элементы 3-й группы (индий, галлий, алюминий, бор), атомы которых имеют по три валентных электрона. При введении, например, индия каждый его атом образует только три ковалентные связи с соседними атомами кремния (рис. 1.4, а).Четвертая связь остается незаполненной. Недостающий валентный электрон для заполнения связи принимается от одного из соседних атомов кристаллической решетки, т. к. требуемая для такого перехода энергия невелика. Переход электрона приводит к образованию дырки в том месте, откуда перешел электрон. При этом атом индия превращается в неподвижный отрицательный ион. Электрон проводимости при этом не возникает.

Рис. 1.4. Примесные полупроводники p-типа: а–механизм образования дырки; б–энергетическая диаграмма

Атомы примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, называют акцепторами, а саму примесь – акцепторной.

При наличии акцепторной примеси в запрещенной зоне энергетической диаграммы исходного ПП (рис. 1.4, б) вблизи валентной зоны появляются локальные уровни акцепторов Wa, свободные от электронов при температуре Т = 0 К. Уровень Ферми находится в нижней части запрещенной зоны. Число локальных уровней определяется концентрацией атомов примеси в кристалле. Так как разность ∆Wa мала, то при комнатной температуре практически все акцепторные уровни будут заняты электронами, перешедшими из валентной зоны. Наряду с этим идёт процесс термогенераци пар электрон – дырка. Однако концентрация дырок примесного происхождения значительно больше, чем дырок, образовавшихся в результате термогенерации. Поэтому концентрация дырок p_p в полупроводнике p-типа существенно больше концентрации свободных электронов n_p: В полупроводниках p-типа ток переносится в основном дырками, дырки являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными,

Если концентрация примесей в полупроводнике достаточно велика, то уровни акцепторной примеси расщепляются, образуя зону, которая может слиться с валентной зоной. Такой полупроводник называют вырожденным.