Домішкова провідність напівпровідників

Деякі домішки і деякі види дефектів кристалічної гратки суттєво впливають на електричні властивості напівпровідників. Один домішковий атом бору, або індію на 100 тисяч атомів основного напівпровідника (кремнію або германію), збільшує провідність напівпровідника не менше ніж у тисячу разів.

І кремній і германій кристалізуються у структуру типу алмазу. В такій структурі кожен чотиривалентний атом напівпровідника вступає у взаємодію з кожним із чотирьох сусідніх атомів (Рис. 2.37), утворюючи спільні ковалентні пари. Такий напівпровідник буде мати власну провідність.

Якщо тепер добавити в кристалічну структуру домішковий п’ятивалентний або тривалентний атом, то він займе в гратці місце одного із основних атомів. Важливою особливістю таких напівпровідників є те, що в них при наявності домішок, крім власної провідності, виникає додаткова – домішкова провідність. Змінюючи концентрацію домішки, можна змінювати кількість носіїв заряду того чи іншого знака. Завдяки цьому створюються напівпровідники з переважною концентрацією – або негативно, або позитивно заряджених носіїв.

Ця особливість напівпровідників і відкриває широкі можливості для їх практичного застосування.

Домішковий п’ятивалентний атом порівняно легко втрачає один із п’яти валентних електронів, який не використаний для утворення стійкого ковалентного зв’язку. Енергія іонізації цього п’ятого електрона не перевищує 0,05 еВ, що значно менше ширини забороненої зони основного напівпровідника (∆Е=0,75 еВ для германію і ∆Е=1,12 еВ для кремнію).

Рис. 2.37

Домішкові атоми з валентністю, вищою на одиницю від основного напівпровідника стають джерелом електронів для зони провідності, а тому називаються донорними атомами. Донорні атоми в зонній структурі напівпровідника утворюють домішковий донорний рівень, який розміщується біля стелі забороненої зони, поряд з зоною провідності (рис. 2.38).

Коли як домішку використати індій, атоми якого тривалентні, то характер провідності напівпровідника зміниться. Тепер для встановлення нормальних ковалентних зв’язків із сусідніми атомами атому індію не вистачає одного електрона. Внаслідок цього в кристалічній структура утворюється неповноцінна (без одного електрона) ковалентна пара, яку називають діркою. Кількість дірок у кристалі дорівнюватиме кількості домішкових атомів.

Рис. 2.38

Такі домішки називають акцепторами (приймачами електронів). Коли в кристалі створюється електричне поле, дірки переміщуються по полю і створюють діркову провідність. Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу.

Домішкові атоми з валентністю, меншою на одиницю валентності основного напівпровідника, утворюють рівень вакантних дірок, який на енергетичній схемі розміщується біля дна забороненої зони, поряд з валентною зоною. Цей рівень називається акцепторним рівнем(рис. 2.39).

Рис. 2.39

Провідність домішкових напівпровідників при малих енергіях збудження в першу чергу забезпечується домішковими атомами, енергії іонізації яких досить малі порівняно з шириною забороненої зони. На рис.2.40 показана залежність ln провідності домішкових напівпровідників від температури.

На цій залежності ділянка “ab” визначає провідність напівпровідника за рахунок лише домішкових акцепторних або донорних атомів. Ділянка “cd” – визначає лише власну провідність напівпровідника.

Домішкові атоми при деяких температурах стають повністю задіяними в провідності. Однак при цих температурах енергії для збудження електронів основних носіїв у валентній зоні ще не достатньо. Тому зростання температури в цьому випадку супроводжується певним “зменшенням” провідності напівпровідника.

Рис. 2.40

Ця особливість провідності домішкового напівпровідника показана на ділянці “bc”. В точці “b” всі домішкові атоми беруть участь у здійсненні провідності. Тому ділянка “bc” показує, що провідність домішкових атомів повністю себе вичерпала і залишається при подальшому підвищенні температури, незмінною.

При досягненні більш високої температури, в провідності напівпровідника починають брати участь атоми основного напівпровідника валентної зони. При цій температурі енергія зовнішнього збудження стає співрозмірною з шириною забороненої зони. Ділянка “cd” рис. 2.40 показує, що власна провідність напівпровідника стає, порівняно з домішковою провідністю, домінуючою.