Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы в узлах решётки полупроводников замещены атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов.

На рисунке 6 условно изображена решётка германия. Он имеет решётку типа решётки алмаза, в которой каждый атом окружён четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными связями.

Рис.6. Плоская модель решетки германия

Предположим, что часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка (рис.7). Для установления связи с четырьмя ближайшими соседями атом мышьяка использует 4 валентных электрона (рис.7а). Пятый электрон в образовании связей не участвует. Он связан со своим атомом слабее. Энергия связи его составляет =0,015 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решётке германия, превращаясь таким образом в электрон проводимости. На языке зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Между заполненной валентной зоной и зоной проводимости чистого германия располагается узкий энергетический уровень валентных электронов мышьяка (рис.8) непосредственно у дна зоны проводимости, отстоя от него на расстоянии =0,015 эВ. Его называют примесным уровнем. При сообщении электронам примесного уровня энергии =0,015 эВ они переходят в зону проводимости. Образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка, дырки при этом не образуются.

Примеси, являющиеся источниками электронов проводимости, называются донорами, а уровни этих примесей – донорными уровнями.

Рис.7. Атом мышьяка в решетке германия а) замещение атома Ge атомом As б) отщепление лишнего» электрона от атома	Рис.8. Энергетическая диаграмма германия, содержащего донорную примесь (As)

Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов замещена атомами трёхвалентного индия (рис.9а).

Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заимствовать» у атома германия.

Расчёт показывает, что для этого требуется затрата энергии порядка 0,015 эВ. Разорванная связь (дырка) рис.9б не остаётся локализованной, а перемещается в решётке германия как свободный положительный заряд «+е». На рис.10 показаны энергетические зоны германия, содержащего примесь индия. Непосредственно у верхнего края заполненной валентной зоны на расстоянии =0,015 эВ располагаются незаполненные энергетические уровни атомов индия. Близость этих уровней к заполненной валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни. Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решётке германия и в проводимости не участвуют (электроны захватываются примесью). Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей – акцепторными уровнями.

Рис.9. Атом индия в решётке германия а) замещение атома Ge атомом In б) образование дырки	Рис.10. Энергетическая диаграмма германия, содержащего акцепторную примесь (In)

Таким образом, в отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в случае донорной проводимости и дырками, в случае акцепторной. Эти носители называются основными.

Кроме них полупроводник содержит неосновные носители заряда, обусловленные переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости; электронный полупроводник – дырки, дырочный полупроводник – электроны. Концентрация неосновных носителей, как правило, значительно ниже концентрации основных носителей.

Вопросы к теоретическому введению

1. Образование энергетических зон в кристалле. Какие явления наблюдаются при образовании кристаллической решётки? Как называются энергетические зоны, образующиеся при расщеплении энергетических уровней и как они заполняются электронами?

2. Причина образования энергетических зон с точки зрения квантовой механики.

3. Металлы, диэлектрики и полупроводники с точки зрения квантовой механики.

4. Какая проводимость называется собственной? Энергетическая схема собственного полупроводника.

5. Какая проводимость называется примесной?

6. Как получить полупроводник n-типа? Электронная проводимость. Где располагаются энергетические уровни донорных примесей?

7. Как получить полупроводник p-типа? Дырочная проводимость. Где располагаются энергетические уровни акцепторных примесей?

8. Что называется энергией активации? Какой процесс называется рекомбинацией?

Литература

1. Савельев И.В. Курс физики М.:Наука,1998-99 г. В 5 томах

2. Епифанов Г.И. Физика твёрдого тела. М.: Высш. школа, 1965.- 365 с.

3. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: «Высшая школа», 1977г.

4. Гаврилов Р.А., Скворцов А.М. Основы физики полупроводников», М.: Машиностроение, 1966 -345 с.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. гл. VП, М.: Наука, 1977.

6. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: учебное пособие для студентов втузов.- М. Высш. шк., 2008.-720с.

7. Агеева О.С., Строганова Т.Н., Чемезова К.С. Элементы квантовой механики и физики твердого тела. Учебное пособие. Тюмень, изд-во ТюмГНГУ, 2005. - 134c.

8. Агеева О.С., Строганова Т.Н., Чемезова К.С. Элементы квантовой механики и физики твердого тела: электронное учебное пособие, Тюмень, ТюмГНГУ,2009.