При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов (фосфора
Р, сурьмы Sb) атомы примесей замещают основные атомы в узлах кристаллической
решетки (рис. 1.4, а). Четыре электрона атома примеси вступают в связь с
четырьмя валентными электронами соседних атомов основного полупроводника.
Пятый валентный электрон слабо связан со своим атомом и при сообщении ему
незначительной энергии, называемой энергией активации, отрывается от атома и
становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов,
называют донорными или просто донорами. Доноры подбирают таким образом, чтобы
их энергетические уровни Wд располагались в запрещенной зоне вблизи
дна зоны проводимости основного полупроводника (рис. 1.4, б). Поскольку
концентрация доноров в большинстве случаев не превышает 1015...10
17 атомов в 1 см3, что составляет
10-4 % атомов основного вещества, то взаимодействие между атомами
доноров отсутствует и их энергетические уровни не разбиваются на зоны.
|
|
Малая энергия активизации примесей, равная 0,04-0,05 эВ для кремния и 0,01-
0,13 эВ для германия, уже при комнатной температуре приводит к полной
ионизации 5-валентных атомов примесей и появлению в зоне проводимости
свободных электронов. Поскольку в этом случае появление свободных электронов
в зоне проводимости не сопровождается одновременным
Рисунок 1.4 Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая
диаграмма (б) полупроводника с электронной электропроводностью.
увеличением дырок в валентной зоне, в таком полупроводнике концентрация
электронов оказывается значительно больше концентрации дырок. Дырки в
полупроводниках образуются только в результате разрыва ковалентных связей
между атомами основного вещества.
Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости
превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками, с
электронной электропроводностью или полупроводниками n-типа.
Подвижные носители заряда, преобладающие в полупроводнике, называют основными.
Соответственно те носители заряда, которые находятся в меньшем количестве,
называются неосновными для данного типа полупроводника. В
полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а
неосновными - дырки. В состоянии теплового равновесия в таком полупроводнике
концентрации свободных электронов (
) и дырок ()
определяются соотношениями:
; . (1.3)
С учетом соотношений (1.1) выражения (1.3) можно представить в следующем виде:
; (1.4) . (1.5)
Из этих соотношений следует, что для полупроводника n-типа выполняется
|
|
неравенство
>> .
Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону, превращаются в
положительные ионы. В отличие от дырок положительные ионы прочно
связаны с кристаллической решеткой основного полупроводника, являются
неподвижными положительными зарядами и, следовательно, не могут принимать
непосредственное участие в создании электрического тока в полупроводнике.
Если считать, что при комнатной температуре все атомы донорных примесей
ионизированы (= N
д, » 0), на
основании выражения (1.4) можно записать:
, (1.6)
где Nд - концентрация донорных атомов в полупроводнике.
Из соотношения (1.6) видно, что в полупроводниках n-типа уровень Ферми
располагается в верхней половине запрещенной зоны, и тем ближе к зоне
проводимости, чем больше концентрация доноров. При увеличении температуры
уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации
основных атомов полупроводника.
Повышение концентрации электронов в данном полупроводнике значительно снижает
его удельное сопротивление. Например, чистый кремний имеет r = 2×10
3 Ом× м, а легированный фосфором - (0,25...0,4)×102
Ом×м.