Вырожденные полупроводники

Рассмотренные выше полупроводники, идущие на изготов­ление большинства обычных полупроводниковых приборов, имеют концентрацию легирующих примесей порядка 10¹⁴ — 10¹⁸см⁻³. Дальнейшее повышение количества примеси приводит к качественным изменениям свойств полупроводни­ковых материалов, которые необходимо рассмотреть. Знание свойств таких сильнолегированных материалов очень важно, потому что они служат основой для изготовления туннельных диодов.

В обычных полупроводниках атомы примеси, произвольно расположенные в исходном материале, достаточно удалены друг от друга, так что между собой не взаимодействуют. На энергетической диаграмме это отображается расположением отдельных, не расщепленных в зону энергетических уровней электронов примесных атомов. Вследствие локализованности этих уровней электроны, находящиеся на них, не могут пере­мещаться по кристаллу и участвовать, таким образом, в элек­тропроводности.

По мере увеличения концентрации примесей расстояния между их атомами уменьшаются, что увеличивает взаимодей­ствие между ними. Это приводит к расщеплению примесных уровней в примесную зону, которая может слиться с основной зоной (зонной проводимости для примесной зоны доноров или с валентной зоной для примесной зоны акцепторов). Такое слияние зон происходит при концентрациях примеси, превышающих, некоторое критическое значение. Так, для германия значение этой концентрации составляет около 2·10¹⁹ см⁻³, а для кремния — 6·10¹⁹ см⁻³. Такие сильнолегированные полупроводники относятся к типу вырожденных, отличительной чертой которых является то, что уровень Ферми находится внутри либо зоны проводимости, либо валентной зоны.

ЗП

ЗЗ

ВЗ

Для определения положения уровня Ферми в вырожден­ном полупроводнике можно воспользоваться тем же графическим методом по определению положения этого уровня, который был применен к обычным (невырожденным) полупровод­никам. Соответствующие построения для электронного и дырочного полупроводников приведены на рис. 4. Как видно изграфиков, уровень Ферми расположен внутри зоны проводи­мости для электронного полупроводника и внутри валентной зоны для дырочного, что характерно для вырожденных полу­проводников.

Энергетическая диаграмма p-n-перехода, образованного вырожденным электронным и дырочным полупроводниками, показана на рис. 4. Так как уровни Ферми в обеих частях полупроводника в состоянии термодинамического равновесия должны сравняться, то выполнение этого условия приводит к перекрытию зон. Дно зоны проводимости электронной области получается ниже потолка валентной зоны дырочного полу­проводника и, как видно из рис. 4, величина контактной разно­сти потенциалов φ_k при контакте двух вырожденных полупро­водников будет близка к ширине запрещенной зоны E_g=(E_c — Е_v) исходного материала [так как(E_V — Е_F)<<E_g то E_g ≈ e· φ_k]. Ширина p-n-перехода обратно пропор­циональна концентрации примесей, и при концентрациях, со­ответствующих вырождению (10¹⁹—10²⁰ см⁻³), ширина пе­рехода получается порядка 100 А°.

Перекрытие зон и чрезвычайно малая ширина перехода и приводят к возникновению туннельного эффекта и появлению аномалии в вольтамперной характерис­тике p-n-перехода, которая исследуется в этой работе.