Электропроводность примесных полупроводников

Полупроводник, имеющий примеси, называют примесным, а его электропроводность, обусловленную наличием примеси, - примесной.

Дефекты в кристалле создают локальные энергетические уровни в запрещенной зоне собственного полупроводника.

Рассмотрим образование локальных энергетических уровней в случае примесных атомов замещения.

1. Рис. 5.4.. Рассмотрим кристалл кремния (Si , IV), в который введена примесь фосфора (P ,V).

· Каждый атом Si связан ковалентными связями с четырьмя другими атомами

· Валентные электроны прочно связаны с кристаллической решеткой и не участвуют в проводимости.

· Если в этом кристалле атомы Si будут частично замещены атомами P, имеющими пять валентных электронов, то четыре из них идут на образование ковалентной связи с четырьмя соседними атомами, а пятый окажется лишним.

· Этот лишний электрон слабо удерживается атомом. Его энергия

- оказывается значительно выше энергии электронов, занятых в ковалентных связях (энергия электрона , участвующего в связи, минимальна),

- однако эта энергия оказывается несколько ниже энергии электронов, находящихся в зоне проводимости, так как пятый электрон все еще остается связанным со своим атомом.

- Энергетический уровень пятого электрона поэтому располагается в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Это локальный энергетический уровень (рис.5.5).

· Зона проводимости кристалла для лишних электронов является областью их ионизации.

· Энергия , необходимая для перехода электрона с уровня примеси в зону проводимости, меньше, чем энергия перехода электрона из валентной зоны .

Благодаря этому при малых температурах концентрация электронов примеси оказывается много больше концентрации собственных носителей.

В силу этого

· доминирующую роль в проводимости будут играть электроны, поэтому их будем называть основными носителями заряда,

· а дырки – неосновными носителями заряда.

Такой полупроводник называют электронным, или n-типа, а примесь, дающую электроны – донорной.

1. Если четырехвалентный атом Si замещен трехвалентным атомом элемента третьей группы,

например, В (Al, Ga) (рис.5.6)., то трех его валентных электронов не хватает для заполнения валентных связей с соседними атомами, и образуется вакантная связь, которая может быть заполнена переходом электрона от соседнего атома.

Рис.5.7. Переход электрона из заполненной связи в вакантную – это переход электрона из заполненной валентной зоны на локальный уровень примеси.

Этот переход

• освобождает один из уровней в верхней части валентной зоны
• и создает в кристалле дырку.

Переход электронов из валентной зоны на уровни примеси требует меньшей энергии, чем переход их в зону проводимости кристалла ( ). Атомы примеси такого рода называют акцепторными.

Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от атома Si к атому акцепторной примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентной связи кремния.

В силу этого количество дырок значительно больше количества свободных электронов и поэтому в таком полупроводнике

· основными носителями заряда будут дырки,

· а электроны – неосновными носителями.

Полупроводник с акцепторной примесью носит название дырочного или p-типа.