Примесная электропроводность

Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополни­тельно к собственной электропровод­ности появляется еще примесная электро­проводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной. Например, германий, будучи четырехвалентным, обладает при­месной электронной электропровод­ностью, если к нему добавлены пяти­валентные сурьма (Sb), или мышьяк (As), или фосфор (Р). Их атомы взаимо­действуют с атомами германия только четырьмя своими электронами, а пятый электрон они отдают в зону проводи­мости. В результате добавляется неко­торое число электронов проводимости. Примеси,, атомы которых отдают элект­роны, называют донорами («донор» озна­чает «дающий, жертвующий»). Атомы доноров, теряя электроны, сами заря жаются положительно. На рис. 1.8 по­казано с помощью плоскостной схемы строения полупроводника, как атом до^ норной примеси (пятивалентной сурьмы), находящийся в окружении атомов германия, отдает один электрон в зону проводимости.

Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности назы­вают электронными полупроводниками или полупроводниками п-типа. Зонная диаграмма такого полупроводника пока­зана на рис. 1.9. Энергетические уровни атомов донора расположены лишь не­много ниже зоны проводимости основ­ного полупроводника. Поэтому из каждо­го атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости, и таким образом в этой зоне появляется допол­нительное число электронов, равное числу атомов донора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются.

Если же четырехвалентный герма­ний содержит примеси трехвалентных бора (В), или индия (In), или алюминид (А1), то их атомы отнимают электроны от атомов германия и в последних образуются дырки. Вещества, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, на­зывают акцепторами («акцептор» озна­чает «принимающий»). Атомы акцептора, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно. Рис. 1.10 показывает схематически, как атом акцепторной при­меси, расположенный среди атомов гер­мания, захватывает электрон от соседне­го атома германия, в котором при этом создается дырка.

Рис. 1.10. Возникновение примесной дырочной электропроводности

Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными полупроводниками или полу­проводниками р-типа (рис. 1.11). Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются лишь немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникают дырки.

В полупроводниковых приборах используются главным образом полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси и называемые примесными. При обычных рабочих температурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т. е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси N_д или акцепторной примеси N_а должна превышать концентрацию собственных носителей заряда. Практически при изготовлении примесных полупроводников значения N_д или N_а всегда во много раз больше, чем n_i или p_i. Например, для германия, у которого при комнатной температуре п_г = p_t= 10¹³ см~³, концентрации N_A и N_a могут быть равными 10¹⁵—10¹⁸ см~³ каждая, т.е. в 10²—10⁵ раз больше концентрации собственных носителей. В дальнейшем все числовые примеры мы будем при­водить для германия при комнатной температуре.

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Ими являются электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике р-типа. Неосновными называются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей. Если то можно пренебречь концентрацией собственных носителей," т. е. электронов, и тогда . Например, для германия n-типа может быть . Ясно, что по сравнению с этим значением концентрацию собственных носителей п_i = 10¹³ см-³ учитывать не нужно, так как она в 1000 раз меньше.

Концентрация неосновных носителей в примесном полупроводнике уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей. Таким образом, если в германии i-типа n_i = p_i= 10¹³ см ³, а после добавления донорной примеси концентрация электронов возросла в 1000 раз и стала п_п = 10¹⁶ см-³, то концентрация неосновных носителей (дырок) уменьшится в 1000 раз и станет р_n = 10¹⁰ см-³, т. е. будет в миллион раз меньше концентрации основных носи­телей. Это объясняется тем, что при увеличении в 1000 раз концентрации электронов проводимости, полученных от донорных атомов, нижние энерге­тические уровни зоны проводимости оказываются занятыми и переход элект­ронов из валентной зоны возможен только на более высокие уровни зоны проводимости. Но для такого перехода электроны должны иметь большую энер­гию, чем в собственном полупровод­нике, и поэтому значительно меньшее число электронов может его осущест­вить. Соответственно этому значительно уменьшается число дырок проводимости в валентной зоне. Оказывается, что всегда для примесного полупроводника п-типа справедливо соотношение:

В нашем примере получилось: 10¹⁶-10¹⁰ = (10¹³)² = 10²⁶.

Сказанное о полупроводнике п-типа относится также и к полупроводнику р-типа. В нем и можно считать, что . Например, для германия р-типа может быть р_р=10¹⁶ и п_р = 10¹⁰ см~³. Для полупроводника р-типа также всегда справедливо соот­ношение:

Рассмотренные примеры наглядно показывают, что ничтожно малое количество примеси существенно изменяет характер электропроводности и проводимость полупроводника. Действительно, концентрация примеси 10¹⁶ см^-3 при числе атомов германия 4,4*10²² в 1 см³ означает, что добавляется всего лишь один атом примеси на четыре с лишним миллиона атомов германия, т. е. примесь составляет менее 10-⁴%. Но в результате этого концентрация основных носителей возрастает в 1000 раз и соответственно увеличивается проводимость.

Получение полупроводников с таким малым и строго дозированным содер­жанием нужной примеси является весьма сложным процессом. При этом исходный полупроводник, к которому добавляется примесь, должен быть очень чистым. Для германия посторонние примеси допускаются в количестве не более 10-⁸%, т.е. не более одного атома на 10 миллиардов атомов гер­мания. А для кремния посторонних примесей допускается еще меньше: они не должны превышать 10-¹¹%.

Удельная проводимость примесных полупроводников определяется так же, как и для собственных полупроводни­ков. Если пренебречь проводимостью за счет неосновных носителей, то для полупроводников «-типа и р-типа можно соответственно написать

Рассмотрим прохождение тока через полупроводники с разным типом электропроводности, причем для упрощения будем пренебрегать током неосновных носителей. На рис. 1.12, как и ранее, дырки изображены светлыми, а электроны — темными кружками. Знаки «плюс» или «минус» обозначают соответственно заряженные атомы кристаллической решетки. Под действием ЭДС источника в проводах, соединяющих полупроводник n-типа с источником, и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости.

Рис. 1.12. Ток в полупроводниках с электронной (а) и дырочной (б(б) электропроводностью

В соединительных проводах полупроводника р-типа по-прежнему движутся электроны, а в самом полупроводнике ток следует рассматривать как перемещение дырок. Электроны с отрицательного полюса поступают в полупроводник и заполняют пришедшие сюда дырки. К положительному полю­су приходят электроны из соседних частей полупроводника, и в этих частях образуются дырки, которые переме­щаются от правого края к левому.

В электротехнике принято условное направление тока от плюса к минусу. При изучении электронных приборов обычно удобнее рассматривать истинное направление движения электронов — от минуса к плюсу. Мы будем показывать, как и выше, это направление стрелкой с жирной точкой в начале, а условное направление тока — стрелкой без точки.