Домішкова провідність напівпровідників

Якщо у кристалі напівпровідника замістити власні атоми на атоми домішок з одним зайвим валентним електроном, то цей зайвий електрон легко відривається від остова і стає вільним. Наприклад, енергія відриву валентного електрона від атома фосфора (іонізація) становить 10.3 В, а енергія відриву цього електрона у кристалі германія під впливом кристалічного поля складає 0.05 еВ. У випадку коли концентрація домішки буде більшою ніж концентрація власних носіїв струму, вільні електрони домішок стануть основними носіями струму. Така домішка назівається донорною, а напівпровідник називають n-напівпровідником. Провідність донорного напівпровідника записують у вигляді .

Якщо домішка буде мати число валентних електронів на один менше, ніж це необхідно для утворення повного зв'язку у кристалі, то виникне дірка. Перехід валентного електрона на вакансію домішки потребує енергію, як і у випадку донорної домішки, коло 0.05 еВ. У випадку коли концентрація домішки буде більшою ніж концентрація власних носіїв струму, то дірки домішок стануть основними носіями струму. Така домішка назівається акцепторною, а напівпровідник називають p-напівпровідником.

Провідність акцепторного напівпровідника записують у вигляді .

Для власної провідності залежність концентрації n електронів провідності та дірок від температури має вид

,

де - енергія активації.

Для домішкової провідності залежність концентрації n носіїв струму від температури має вид

,

де - енергія відриву валентного електрона донорної домішки, або енергія переходу валентного електрона напівпровідника на вакансію акцепторної домішки.

Нижче у таблиці наведені значення характеристик електронів та дірок різних домішок. Як видно з таблиці, енергії відриву електронів донорних домішок досить малі у той же час енергія іонізації атомів цих домішок досить значна і становить для фосфору Р 10.3 еВ, для миш'яку As – 9.4 еВ, для сурьми Sb – 8.5 еВ. Це явище пояснюється впливом кристалічного поля напівпровідника на атоми донорних домішок.

Таблиця 2. Деякі характеристики кремнію та германія.

Cимвол та ширина забороненої зони	рухливість	щілина для донора (еВ)	щілина для акцептора (еВ)	Питомий опір	Відно-шення мас електронів
		un	up	P	As	Sb	B	Al	Іn
Si	1,1	0,135	0,04	0,05	0,05	0,039	0,045	0,06	0,07		0,2
Ge	0,72	0,45	0,4	0,01	0,013	0,01	0,01	0,01	0,01		0,1

Застереження. При деякій температурі величина власної провідності у домішковому напівпровідникові зросте й стане рівною або більшою провідності домішки. При цій температурі перестануть працювати напівпровідникові прилади, характеристики яких ґрунтуються на властивостях домішкових напівпровідників.

Напівпровідниковий діод

При утворенні контакту р- та n-напівпровідників починаються процеси дифузії та рекомбінації носіїв струму. Дифузія виникає внаслідок різної концентрації електронів та дірок у сполучених р- та n-областях. При дифузії вільного електрона з n-області там залишається додатній іон донорної домішки (від нього саме відірвався цей електрон) і в р-області він може займати вакансію зв’язку акцепторної домішки, перетворюючи її увід’ємний іон. Такий процес називається рекомбінацією електрона та дірки. Очевидно, що під час цього процесу зникають носії струму. Під рекомбінацією дірки у n-області слід розуміти виникнення вакансії зв'яжу між атомами у ній і зайняття її електроном донора. Це означає зникнення електрона й дірки як носіїв струму й утворення знову ж таки додатного іона донорної домішки в р-області й від’ємного іона акцепторної домішки в р-області. Таким чином, границя n- і р-області збіднюється носіями струму, а зарядами Q іонів домішок створюється внутрішнє електричне поле з напруженістю , направленою від n- до р-області. Це поле протидіє дифузії. У якийсь час зростає до такої величини, що дифузія електронів та дірок припиняється.

При накладанні зовнішнього поля з напруженістю , яка за напрямком співпадає з , рух електронів та дірок, як носіїв струму ще більше гальмується і струм І_зв майже відсутній аж до зовнішньої напруги, при якій напівпровідник пробивається - атоми іонізуються. Таке ввімкнення напруги ( "+" на n-область і "-" на р-область ) називається зворотнім (див.Рис.1). . При накладанні зовнішнього поля з напруженістю , яка за напрямком протилежна до , рух електронів та дірок відновлюється з моменту часу, коли Е_з стає > Е₀ і спостерігається значно більший струм І_пр, ніж у попередньому випадку. Таке ввімкнення напруги ( "+" на р-область і "-" на n-область ) називається прямим (див.Рис.1). Напруга V, при якій Е_з стає > Е_0, називається потенціальним бар’єром напівпровідника.

Відношення при однаковій величині напруги, що створює ці струми, називається коефіцієнтом випрямлення. Ця величина змінюється зі зміною величини напруги. Таким чином, контакт р- і n-напівпровідників має односторонню (вентильну) провідність електричного струму. Ця властивість зникає коли температура діода підвищується до такої, що власна провідність стає більшою ніж домішкова.