Й вопрос: Примесная проводимость полупроводников

Для создания полупроводниковых приборов применяют полупроводники, у которых часть атомов в узлах кристаллической решетки замещена атомами вещества с другой валентностью. Такие полупроводники получаются путем ведения в кристалл чистого полупроводника соответствующих примесей, и называются примесными. С четырехвалентными германием и кремнием используют пятивалентные (мышьяк, сурьма, фосфор) и трехвалентные (бор, алюминий, индий, галлий) примеси.

В случае пятивалентной примеси (рис. 6а) четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, пятый электрон оказывается «лишним». Такой «лишний» электрон значительно слабее связан со своим атомом и для отрыва его от атома примеси и превращения в свободный носитель заряда требуется меньшее количество энергии, чем для освобождения электрона из ковалентной связи. «Лишние» электроны примеси занимают энергетические уровни W_Д (рис. 6б) расположенные вблизи дна зоны проводимости, находясь на этих уровнях при очень низких температурах. При незначительном повышении температуры «лишние»

электроны получают достаточное количество энергии необходимое для перехода их в зону проводимости. Эту энергию называют энергией активизации примеси. Уход «лишнего» электрона от атома примеси, превращает этот атом в положительный ион. В данном случае положительный ион прочно связан с кристаллической решеткой и не перемещается по кристаллу подобно дырке собственной проводимости. Примеси, увеличивающие в полупроводнике число свободных электронов называют донорными, а полупроводники с электронной проводимостью – полупроводниками n-типа.

В основном материале полупроводника с донорной примесью, как и в чистых полупроводниках, постоянно образуются дырки и электроны собственной проводимости. Но их количество значительно меньше, чем электронов примеси, поэтому в полупроводниках n-типа электроны являются основными носителями тока, а дырки - неосновными. Следовательно в этих полупроводниках дырочный ток много меньше электронного.

При введении трехвалентной примеси (рис. 7а), в одной из ковалентных связей каждого примесного атома отсутствует электрон, т.е. образуется дырка. При этом атом индия и смежный с ним атом кремния являются электрически нейтральными. При небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних ковалентных связей может перейти в незаполненную связь примеси. На внешней орбите атома индия появится «лишний» электрон и атом индия станет отрицательным ионом. В нарушенной связи, откуда электрон перешел в незаполненную связь индия, появится положительный заряд - дырка.

При соответствующей концентрации примесей дырок в кристалле станет много больше чем

электронов и полупроводник приобретет явно варыженную дырочную проводимость. Полупроводник с дырочной проводимостью называют полупроводником р-типа. Примеси, создающие в полупроводнике дырочную проводимость называют акцепторными.

В полупроводниках с акцепторной примесью, дырки - основные носители заряда, электроны - неосновные. Для перехода электрона из ковалентной связи к атому индия, надо затратить значительно меньше энергии, чем для его перехода через запрещенную зону с энергией . Поэтому введение атома индия в решетку кремния приводит к появлению уровня акцептора (примеси) Wа вблизи от потолка валентной зоны (рис. 7б). Уровень акцептора Wа при очень низких температурах остается свободным. При небольшом повышении температуры один из валентных электронов покидает валентную зону занимая уровень примеси и оставляя после себя в валентной зоне свободный уровень - дырку. Энергия , которую необходимо сообщить валентному электрону для перевода его на примесный уровень, называется энергией активизации примеси. Электроны валентной зоны переходят на уровень примеси даже при низких температурах, образуя в валентной зоне большое количество дырок. При этом в зоне проводимости не будет заметного увеличения электронов, т. к. большинство их осядет в дырках примеси, а меньшинство составит ток неосновных носителей полупроводника р- типа.