Примесные полупроводники

Общие представления. Полупроводники, в кристаллическую решетку которых помимо четырехвалентных атомов введены атомы примесей с валентностью, отличной от валентности основных атомов, называются примесными полупроводникам, а электрическая проводимость, созданная введенной примесью, называется примесной проводимостью. Для большинства полупроводниковых приборов используют именно такие примесные полупроводники. У них концентрация носителей заряда, вызванных наличием примесей, значительно больше концентрации собственных носителей заряда. Такие полупроводники имеют достаточно широкую запрещенную зону и ощутимая концентрация собственных носителей заряда появляется только при сравнительно высокой температуре.

В рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси. При малой концентрации примесей вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала. Однако примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны.

Под примесями в полупроводниковых химических соединениях понимают не только включения атомов посторонних элементов, но и избыточные по стехиометрическому составу атомы тех самых элементов, которые входят в химическую формулу самого соединения. Кроме того, роль примесей играют всевозможные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, атомы или ионы, оказавшиеся в междоузлиях решетки, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации кристалла, микротрещины и т. д. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то они называются примесями замещения, если в междоузлиях - примесями внедрения.

Доноры и акцепторы. Если валентность примесных атомов больше валентности основных атомов, например, в кристаллическую решетку четырехвалентного кремния Si введены пятивалентные атомы мышьяка As, то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в ковалентной связи. Действительно, атому мышьяка для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимы лишь четыре валентных электрона (рис.4.5). Пятый же электрон атома мышьяка в ковалентной связи не участвует, он становится лишним. Со своим атомом он связан силой кулоновского взаимодействия. Энергия этой связи невелика (сотые доли электрон-вольта). Поскольку при комнатной температуре тепловая энергия электрона kT =0,026эВ, то очевидно, что уже при комнатной температуре происходит ионизация примесных атомов мышьяка т. е. пятый электрон легко отрывается от атома, становясь свободным (рис.4.5).

После потери электрона примесный атом становится ионизированным и приобретает положительный заряд. Такой полупроводник с пятивалентной примесью называют электронным или полупроводником типа n (от латинского negative – отрицательный), а примесные атомы, отдающие электроны, называют донорами.

На энергетической диаграмме наличие примеси в кристаллической решетке полупроводника характеризуется появлением локального энергетического уровня, лежащего в запрещенной зоне. Так как при ионизации атома мышьяка образуется незанятый в ковалентной связи электрон и для его отрыва от атома требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей атомов кремния, то энергетический уровень донорной примеси должен располагаться в запрещенной зоне на небольшом расстоянии от нижнего края свободной зоны (от ‘дна’ зоны проводимости) (рис.4.6).

Рис. 4.5. Плоская модель кристаллической решетки кремния с примесью мышьяка.

Рис.4.6. Энергетическая диаграмма n -полупроводника.

Поскольку на один примесный атом в n-полупроводнике приходится 10⁶-10⁷ атомов основного вещества и расстояние между ними большое, то они практически не оказывают влияния друг на друга. Поэтому примесные уровни не расщепляются и на энергетической диаграмме они изображаются как один уровень, на котором находятся “лишние ” валентные электроны, не участвующие в ковалентных связях. Энергетический интервал называют энергией ионизации доноров. Для кремния =0,05эВ, для германия =0,01эВ, поэтому при комнатной температуре практически все доноры ионизированы.

Наряду с ионизацией примеси в электронном полупроводнике происходит и тепловая генерация, в результате которой образуется пара носителей – электрон и дырка. Однако количество их при рабочей температуре гораздо меньше, чем количество электронов, которые дает донорная примесь. Объясняется это тем, что во-первых, энергия, равная ширине запрещенной зоны ,гораздо больше, чем энергия ионизации доноров . Во-вторых, электроны донорных атомов занимают в зоне проводимости нижние энергетические уровни и электроны, находящиеся в валентной зоне, могут в результате разрыва ковалентных связей перейти только на более высокие уровни зоны проводимости. Для такого перехода электрон должен обладать более высокой энергией, чем в собственном полупроводнике. Поэтому в электронном полупроводнике концентрация дырок намного меньше концентрации электронов. По этой причине в полупроводнике n-типа электроны называют основными носителями заряда, а дырки – неосновными.

Если в кристаллическую решетку кремния введены атомы трехвалентной примеси, например, атомы алюминия Al, то одна из ковалентных связей оказывается незавершенной (рис.4.7). При незначительном тепловом воздействии электрон одной из соседней связей может перейти в незаполненную связь, а на том месте, откуда пришел электрон, возникает дырка. Эта дырка перемещается по связям основного вещества и, следовательно, принимает участие в проводимости полупроводника. При этом примесный атом алюминия приобретает отрицательный заряд. Такой полупроводник, захватывающий электроны, называют дырочным, или полупроводником типа p (от латинского positive – положительный), а примесные атомы называют акцепторами.

Рис.4.7.. Плоская модель кристаллической решетки кремния с примесью алюминия.

Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от атома основного вещества к атому примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей кремния. Поэтому количество дырок может быть значительно больше, чем количество свободных электронов и проводимость полупроводника будет дырочной. В таком полупроводнике основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны. Электроны, “заброшенные” на примесные уровни не участвуют в электрическом токе.

На энергетической диаграмме p-полупроводника (рис4..8) в запрещенной зоне появляется примесный уровень, расположенный на небольшом расстоянии от верхнего края заполненной зоны (над “потолком” валентной зоны). Примесный уровень заполняется электронами, переходящими на него из валентной зоны, так как для такого перехода требуется незначительная энергия ( 0,01-0,1эВ). Поэтому в p-полупроводнике устанавливается высокая концентрация дырок. При комнатной температуре практически все акцепторы ионизированы, поэтому концентрация дырок примерно равна концентрации акцепторов.

Рис.4.8.. Энергетическая диаграмма s -полупроводника.

В дырочном полупроводнике, так же как и в электронном, происходит тепловая генерация, в результате которой образуется пара носителей заряда: электрон, переходящий в свободную зону и дырка, остающаяся в валентной зоне. Однако количество образующихся пар невелико. Объясняется это теми же причинами, что и в электронном полупроводнике. На уровни акцептора переходят электроны с энергетических уровней, расположенных вблизи потолка валентной зоны. Переход же электронов из валентной зоны в зону проводимости с разрывом ковалентной связи совершают электроны, расположенные на более низких уровнях валентной зоны, для чего необходимо затратить более высокую энергию, чем в собственном полупроводнике. Поэтому концентрация дырок оказывается намного больше концентрации электронов.

Итак, атомы примесей создают в запрещенной зоне полупроводника дополнительные примесные энергетические уровни. Эти примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны. Примесная электропроводность требует для своего появления гораздо меньшей энергии (сотые и десятые доли электрон-вольта), чем для появления собственной электропроводности. Поэтому примесная электропроводность обнаруживается при более низкой температуре, чем собственная электропроводность полупроводника. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем при большей температуре проявляется собственная электропроводность.

В полупроводниковых приборах как правило, используют именно примесную электропроводность. Появление большого количества неосновных носителей заряда нарушает нормальную работу полупроводниковых приборов. Поэтому рабочая температура полупроводника устанавливается такой, чтобы тепловая генерация неосновных носителей заряда не влияла на работу полупроводникового прибора. У германия ширина запрещенной зоны равна 0,72эВ, а у кремния 1,12эВ. Поэтому допустимая рабочая температура у германиевых приборов составляет +70^оС, а у кремниевых в зависимости от степени очистки материала от 120 до 200^оС.

Заметим, что в полупроводнике могут одновременно содержаться донорные и акцепторные примеси Такие полупроводники называются компенсированными.