Сильно легированные полупроводники называются вырожденными или полуметаллами

Донорные и акцепторные уровни называют мелкими, имея в виду их малую удаленность от соответствующих разрешенных зон: (0,01…0,05) эВ и (0,01…0,05) эВ. Существуют примеси, характеризующиеся глубокими уровнями, расположенными вблизи середины запрещенной зоны. Например, в кремнии глубокие уровни характерны для атомов золота (Au), меди (Cu), никеля (Ni). Такие примеси не являются донорными и акцепторными. Но они играют важную роль в работе полупроводниковых приборов.

В приповерхностном слое структурные нарушения решетки создают дополнительные поверхностные энергетические уровни. Они могут занимать разное место на зонной диаграмме.

1.5. Переходы носителей заряда между зонами
и уровнями

Электроны, участвующие в образовании ковалентной связи, обладают энергией, уровень которой лежит в валентной зоне. Свободные электроны, способные перемещаться внутри кристалла, обладают энергией, уровень которой лежит в зоне проводимости.

Для перевода электрона из связанного состояния в свободное (процесс генерации) ему необходимо сообщить энергию, величина которой определяется шириной запрещенной зоны. При переходе электрона из свободного состояния в связанное (процесс рекомбинации) он обязательно отдаст энергию, равную ширине запрещенной зоны.

В примесных полупроводниках процесс образования свободных носителей заряда происходит иначе. В полупроводнике n-типа наряду с генерацией электронно-дырочных пар имеет место переход электронов с донорных уровней в близлежащую зону проводимости. В полупроводнике p-типа – из валентной зоны на близлежащие уровни акцепторов. Соответственно в полупроводниках n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводниках p-типа – избыток дырок.

Донорные и акцепторные уровни мелкие. Поэтому их энергия активации , намного меньше энергии активации электронов в валентной зоне . С ростом температуры количество свободных носителей, порожденных ионизацией примесных атомов, возрастает значительно быстрее количества электронно-дырочных пар. Такое превосходство сохраняется до тех пор, пока не будут ионизированы все примесные атомы. Соответствующая температура называется температурой полной ионизации примеси. При дальнейшем росте температуры количество свободных носителей заряда примесного происхождения остается постоянным, а количество электронно-дырочных пар продолжает возрастать. Примесный полупроводник превращается в собственный. Температура такого превращения называется критической температурой.

Для примесей с глубокими энергетическими уровнями энергия активации достаточно большая. Поэтому атомы таких примесей практически не ионизируются. Тем не менее роль глубоких уровней может быть весьма существенной. Они представляют собой ловушки или центры захвата подвижных носителей.

Электрон, попавший из разрешенной зоны на ловушку (непрерывные стрелки рис. 1.9), остается на ней в течение некоторого времени, которое называется временем релаксации.

Рис. 1.9. Переходы через глубокие уровни

После этого (штриховые стрелки) он может вернуться в ту же зону (1 и 3) или перейти в другую (2 и 4). Во втором случае происходит двухступенчатая рекомбинация (2) или двухступенчатая генерация электронно-дырочной пары (4). Вероятность двухступенчатых процессов гораздо больше, чем одноступенчатых. Поэтому в присутствии
ловушек процессы генерации-рекомбинации идут значительно интен­сивнее.

Захват электронов глубокими уровнями особенно характерен для поверхности полупроводника, которая богата поверхностными состояниями.