Примесная электронная (донорная) проводимость полупроводника

Германий Ge, являясь четырехвалентным, будет обладать примесной электронной электропроводностью, если к нему добавлен пятивалентный химический элемент, например, или сурьма Sb, или мышьяк As, или фосфор Р.

Атомы пятивалентной примеси взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами, а пятый валентный электрон атома примеси становится свободным электроном, т.е. становится электроном проводимости. В результате к свободным электронам германия Ge (их было очень мало в чистом германии) добавляется очень большое количество свободных электронов примесного элемента.

Атомы доноров, т.е. пятивалентного примесного химического элемента, теряя электроны, сами заряжаются положительно и становятся положительными ионами.

На рис.1 показано с помощью плоскостной схемы строения полупроводника, как атом донорной примеси (пятивалентной сурьмы Sb), находящийся в окружении атомов германия Ge, теряет один электрон, т.е. этот электрон атома сурьмы становится свободным, не связанным ни с каким из атомов полупроводника.

Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют электронными полупроводниками или полупроводниками n -типа ^[2].

Зонная диаграмма такого полупроводника показана на рис.2.

Энергетические уровни атомов донора расположены 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.

W, эВ

WV

WC

Валентная зона

Уровни доноров

Зона проводимости

Положительный ион – атом сурьмы

W

Рис.1 Рис.2

При изучении принципа работы полупроводниковых приборов, полупроводники n -типа изображают в виде прямоугольника с указанием типа проводимости – буквы n (рис.3,а).

Если примеси введено очень много, т.е. изготовлен высоколегированный примесный полупроводник ^[3], рядом с буквой, указывающей тип проводимости, добавляют знаки «плюс», например, для полупроводника с электронной проводимостью – n ⁺ или n ⁺⁺ (рис.3,б).

Структура примесного полупроводника n -типа кремния Si приведена на рис.4. Стрелками указано хаотичное движение электронов и дырок за счет тепла, т.е. при температуре Т > 0К.

Нейтральный атом Si

Положительный ион

Дырка

Электрон

n

а)

n

n + n++

б)

Рис.3 Рис.4

В структуре любого примесного полупроводника, неважно при этом какой у него тип проводимости n- или р-тип, выделяют: подвижные и неподвижные заряды – отрицательные и положительные, а также основные и неосновные носители зарядов.

Подвижные заряды в полупроводнике n -типа (рис.4) – это свободные электроны и дырки, т.е. заряды способные двигаться, создавать электрический ток.

Неподвижные заряды в полупроводнике n -типа (рис.4) – это положительные ионы (атомы донорной, пятивалентной примеси). Они не могут двигаться, т.е. создавать ток.

Среди подвижных зарядов выделяют основные заряды, концентрация которых многократно больше концентрации подвижных зарядов другого типа. В полупроводнике n -типа основные заряды – это свободные электроны.

Подвижные неосновные заряды – это заряды, концентрация которых многократно меньше концентрации подвижных зарядов другого типа. В полупроводнике n -типа – это дырки (рис.4).

Несмотря на то, что в структуре полупроводника n -типа находятся отрицательные и положительные, подвижные и неподвижные заряды, сам полупроводник электрически нейтрален, т.е. заряда не имеет. Это объясняется тем, что алгебраическая^[4] сумма положительных и отрицательных зарядов равна нулю.