Примесная электропроводность

Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной. Например, германий, будучи четырехвалентным, обладает примесной электронной электропроводностью, если к нему добавлены пятивалентные сурьма (Sb), или мышьяк (As), или фосфор (P). Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами, а пятый электрон они отдают в зону проводимости. В результате добавляется некоторое число электронов проводимости. Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами. Атомы доноров, теряя электроны, сами заряжаются положительно. На рис. 4 показано с помощью плоскостной схемы строения полупроводника, как атом донорной примеси (пятивалентной сурьмы), находящийся в окружении атомов германия, отдает один электрон в зону проводимости.

Полупроводники спреобладанием электронной электропроводности называют электронными полупроводниками,или полупроводниками n-типа.

Рис. 4. Возникновение примесной Рис. 5. Зонная диаграмма

электронной электропроводности полупроводника n-типа

Зонная диаграмма такого полупроводника показана на рис. 5. Энергетические уровни атомов донора расположены лишь немного ниже зоны проводимости основного полупроводника. Поэтому из каждого атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости, и таким образом, в этой зоне появляется дополнительное число электронов, равное числу атомов донора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются.

Если же четырехвалентный герма­ний содержит примеси трехвалентных бора (В), или индия (In), или алюминия (Al), то их атомы отнимают электроны от атомов германия и в последних образуются дырки. Вещества, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцепторами. Атомы акцептора, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно. На рис. 6 схематически показано, как атом акцепторной примеси, расположенный среди атомов германия, захватывает электрон от соседнего атома германия, в котором при этом создается дырка.

Рис. 6. Возникновение примесной Рис. 7. Зонная диаграмма

дырочной электропроводности полупроводника p-типа

Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными полупроводниками,или полупроводниками р-типа (рис. 7). Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются лишь немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникают дырки.

В полупроводниковых приборах используются главным образом полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси и называемые примесными. При обычных рабочих температурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т. е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси N_д или акцепторной примеси N_адолжна превышать концентрацию собственных носителей заряда. Практически при изготовлении примесных полупроводников значения N_д или N_а всегда во много раз больше, чем n_i или p_i.

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Ими являются электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике р-типа. Неосновными называются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных но­сителей. Если N_д >> n_i, то можно пренебречь концентрацией собственных но­сителей, т. е. электронов, и тогда n_n » N_д.

Концентрация неосновных носителей в примесном полупроводнике уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей. Это объясняется тем, что при увеличении в 1000 раз концентрации электронов проводимости, полученных от донорных атомов, нижние энергетические уровни зоны проводимости оказываются занятыми и переход электронов из валентной зоны возможен только на более высокие уровни зоны проводимости. Но для такого перехода электроны должны иметь большую энергию, чем в собственном полупроводнике, и поэтому значительно меньшее число электронов может его осуществить. Соответственно, значительно уменьшается число дырок проводимости в валентной зоне.

Для примесного полупроводника n-типа справедливо соотношение:

. (11)

Для полупроводника р-типа также всегда справедливо соотношение:

. (12)

Удельная проводимость примесных полупроводников определяется так же, как и для собственных полупроводни­ков. Если пренебречь проводимостью за счет неосновных носителей, то для полупроводников n-типа и p-типа можно соответственно написать:

и . (13)