Полупроводник N и P – типов (примесные полупроводники)

У чистых или собственных полупроводников концентрация электронов и дырок одинакова. Электропроводимость собственного (беспримесного) полупроводника очень низка.

В большинстве электронных приборов применяются полупроводники, обладающие так называемой примесной проводимости. Чтобы превратить собственный полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подобранной химической добавки, т.е. осуществить легирование полупроводника.
Примеси создают ряд энергетических уровней в запрещенной зоне. В результате вероятность образования электронно-дырочных пар при температуре возбуждения оказывается значительно более высокой, чем в собственном полупроводнике.

В таких полупроводниках электрическая проводимость осуществляется в основном за счет носителей зарядов одного знака – электронов или дырок. Чтобы обеспечить электронную или дырочную проводимость, достаточно, как правило, ввести один атом соответствующей примеси на атомов собственного полупроводника. Атомы примеси в кристаллической решетке германия или кремния (4 группа таблицы Менделеева) обычно замещают часть основных атомов в узлах решетки. Результаты такого замещения зависят от материала примеси.

Существуют легирующие примеси двух видов: доноры – пятивалентные элементы, такие как P, As, Sb (донор – дающий, жертвующий). Концентрацию доноров будем обозначать Nd. Акцепторы – трехвалентные элементы, такие как B, Al, In, Ga (акцептор – принимающий, берущий). Концентрацию акцепторов будем обозначать Na. На основании этого различают полупроводники n-типа и p-типа.

Для получения полупроводника n-типа в кристалл 4-х валентного кремния вводят примесь донора (валентность - 5).

При этом четыре валентных электрона примеси образуют связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон примеси не участвует в образовании ковалентных связей, легко может быть оторван от своего атома и стать свободным. При комнатной температуре практически все электроны примеси, не образующие ковалентных связей с атомами кремния становятся свободными и участвуют в электрической проводимости. Атом примеси, потерявший один электрон, становится неподвижным положительным ионом.

Свободные электроны примеси добавляются к свободным электронам полупроводника, вызванным термогенерацией, поэтому электропроводность полупроводника становится преимущественно электронной.

В этих условиях электроны являются основными носителями заряда, т.к. n>>p, а дырки – неосновными носителями.

Пример: в 1 (≈ 2 г) кремния – 4,99* атомов. Собственная концентрация ni=pi – 2* носит/ . При введении в кремний 2* атомов фосфора (все ионизированы), проводимость будет складываться из суммы электронов (2* +2* ≈2* ), что увеличит проводимость кремния после легирования в раз (100 тыс. раз). При этом 2* атомов фосфора, составляют 0,5* атомов кремния, а значит 0,5*2* г, что составляет 1* г=0,1* г=0,1мкг P (на 2 г Si) или 50мкг P на 1 кг Si.

Для получения полупроводника p-типа в кристалл 4-х валентного кремния вводят примесь акцептора (валентность 3).

При этом три валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с тремя из четырех соседних атомов кремния. Одна из ковалентных связей остается незавершенной, образуя вакантное энергетическое состояние. Атому примеси для заполнения вакансии требуется дополнительный электрон для образования прочной восьмиэлектронной оболочки. Этот электрон отбирается от одного любого атома кремния. Атом примеси, отобравший электрон из ковалентной связи решетки полупроводника, становится неподвижным отрицательным ионом. На том месте в основной решетке, откуда к атому примеси пришел электрон, образуется дырка. Она добавляется к собственным дыркам полупроводника, вызванным термогенерацией, поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной.

В этих условиях дырки являются основными носителями заряда, т.к. p>>n, а электроны – неосновными носителями.

Для полупроводника n-типа справедливо следующее неравенство:

Nn>>Pn, где N – концентрация электронов в полупроводнике n-типа;

P – концентрация дырок в полупроводнике n-типа

А для полупроводника p-типа:

Pp>>Np, где P – концентрация дырок в полупроводнике р-типа;

N – концентрация электронов в полупроводнике р-типа.

Донорные примеси образуют примесные уровни Wд, расположенные в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости; акцепторные примеси образуют примесные уровни , расположенные в запрещенной зоне вблизи валентной зоны. Уровень ферми в примесных полупроводниках располагается между уровнем Wд и дном зоны проводимости Wп, либо между уровнем и потолком валентной зоны Wв (см. рисунок).