Полупроводники с дырочной электропроводностью

Если в кристалле 4-валентного элемента часть атомов замещена атомами 3-

валентного элемента (галлия Ga, ин­дия In), то для образования четырех

ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона (рис.

1.5, а). Этот электрон может быть получен от атома основного элемента

полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв связи приводит к

появлению дырки, так как сопровождается образованием свободного уровня в

валент­ной зоне. Примеси, захватывающие электроны из валент­ной зоны,

называют акцепторными или акцепторами. Энергия активизации акцепторов

составляет для германия 0,0102-0,0112 эВ и для кремния 0,045-0,072 эВ, что

значи­тельно меньше ширины запрещенной зоны беспримесного полупроводника.

Следовательно, энергетические уров­ни примесных атомов располагаются вблизи

валентной зоны (рис. 1.5, б).

Ввиду малого значения энергии активизации акцепто­ров уже при комнатной

температуре электроны из валент­ной зоны переходят на уровни акцепторов. Эти

электро­ны, превращая примесные атомы в отрицательные ионы, теряют

способность перемещаться по кристаллической решетке, а образовавшиеся при

этом дырки могут участво­вать в создании электрического тока.

За счет ионизации атомов исходного материала из валентной зоны часть

электронов попадает в зону прово­димости. Однако электронов в зоне

проводимости значи­тельно меньше, чем дырок в валентной зоне. Поэтому дыр­ки

в таких полупроводниках являются основными, а элек­троны - неосновными

Рисунок 1.5 Условное изображение кристаллической решетки (а) и энергетическая

диаграмма (б) полупроводника с дырочной электропроводностью.

подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название

полупроводников с дырочной электропроводностью или полупроводников

р-типа. В состоянии теплового равновесия концентрация дырок в полупроводнике

р-типа () и

свободных элек­тронов (

) определяется из соотношений:

; (1.7) (1.8)

Из уравнений (1.7) и (1.8) следует, что для полупро­водника р-типа выполняется

неравенство

>> .

Если считать, что при комнатной температуре все акцеп­торные атомы ионизированы,

т. е. =0, то на

основании соотношения можно записать:

, (1.9)

где N_a — концентрация акцепторных атомов в полупровод­нике.

Соотношение (1.9) показывает, что уровень Ферми в полупроводнике р-типа

располагается в нижней половине запрещенной зоны, так как N_a

>> n_i, и при повышении температуры смещается к середине

запрещенной зоны за счет ионизации атомов основного полупроводника.

Кроме того, на основании уравнений (1.4), (1.5), (1.7) и (1.8) можно записать

следующее выражение:

(1.10)

которое показывает, что введение в полупроводник приме­сей приводит к

увеличению концентрации одних носите­лей заряда и пропорциональному

уменьшению концентра­ции других носителей заряда за счет роста вероятности их

рекомбинации.