Примесная проводимость полупроводников. В большинстве полупроводниковых приборов и микросхем применяют полупроводники, у которых проводимость обусловлена наличием в них примесных центров

В большинстве полупроводниковых приборов и микросхем применяют полупроводники, у которых проводимость обусловлена наличием в них примесных центров. Примесными центрами являются: атомы или ионы посторонних примесей, различные дефекты и искажения кристаллической решётки.

Примеси могут различным образом влиять на количество и тип носителей тока в полупроводниках. Они могут служить дополнительными поставщиками электронов в кристалл. В этом случае основные носители тока в полупроводнике – электроны, а примесный полупроводник называется электронным (или n-типа).

Атомы примеси могут быть центрами прилипания: они захватывают электроны валентной зоны. В этом случае основные носители тока в полупроводнике – дырки, а примесный полупроводник называется дырочным (или р-типа).

На энергетических диаграммах примесные уровни располагаются в запрещённой зоне основного материала.

Рассмотрим более подробно возникновение примесной проводимости на примере решётки кремния.

1. Пусть один из атомов решётки кремния замещён атомом пятивалентной примеси (например, атомом мышьяка или фосфора, рис.).

Четыре электрона примесного атома образуют ковалентные связи с соседними атомами; пятый электрон слабо связан со своим атомом и легко отрывается от него. Примесный атом при этом превращается в положительно заряженный ион.

Чтобы перевести электрон с примесного уровня в зону проводимости требуется незначительная энергия ΔE_d << ΔE. Она называется энергией активации примесной проводимости. Для кремния ΔE_d=0,054 эВ, если примесь – мышьяк.

Атомы примеси в этом случае называются донорами, примесные уровни – донорными уровнями, примесная проводимость – проводимостью n-типа, полупроводник – электронным.

Величина DE_d равна энергии ионизации донора иравна энергии связи пятого валентного электрона с атомом донора.

Кроме электронов, полупроводник n -типа содержит небольшое количество дырок, образующихся при редких переходах электронов из валентной зоны в зону проводимости (как и в собственном полупроводнике). Электроны в полупроводнике n -типа называют основными носителями заряда, а дырки – неосновными.

2. Пусть один из атомов решётки кремния замещён атомом трёхвалентной примеси (например, атомом бора, алюминия или индия, рис.).

Для образования ковалентной связи недостаёт одного электрона. Недостающий электрон может быть захвачен у соседнего атома кремния. Примесный атом при этом превращается в отрицательно заряженный ион. На его месте образуется положительная дырка, способная перемещаться по кристаллу.

Примесный энергетический уровень в этом случае находится в нижней части запрещённой зоны (вблизи потолка валентной зоны, рис.).

Чтобы перевести электрон из валентной зоны на примесный уровень требуется незначительная энергия

ΔE_а << ΔE. Она также называется энергией активации примесной проводимости. Для кремния ΔE_а=0,08 эВ, если примесь – бор.

Атомы примеси в этом случае называются акцепторами, примесные уровни – акцепторными уровнями, примесная проводимость – проводимостью р-типа, полупроводник – дырочным.

Величина DE_а равна энергии ионизации акцептора, она значительно меньше ширины запрещённой зоны. Поэтому в полупроводнике с акцепторными примесями при низких температурах преобладают дырки.

Кроме дырок, полупроводник р -типа содержит небольшое количество электронов. Дырки в полупроводнике р -типа называют основными носителями заряда, а электроны – неосновными.