Примесная проводимость полупроводников

Этот вид проводимости возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. В данном случае один из валентных электронов окажется избыточным и легко может перемещаться в объёме кристалла. В отличие от рассмотренного ранее случая собственной проводимости в полупроводниках, образование свободного электрона не будет сопровождаться нарушением ковалентных связей, т. е. образованием «дырки». Хотя в окрестности атома примеси возникает избыточный положительный заряд, но он связан с этим атомом и перемещаться не сможет. Благодаря этому заряду, атом примеси может захватить приблизившийся к нему электрон, но связь захваченного электрона с атомом будет непрочной и легко нарушается вновь за счёт тепловых колебаний решётки. Таким образом, в полупроводнике с примесью имеется только один вид носителей тока – электроны. Соответственно такой полупроводник будет обладать электронным типом проводимости, являясь полупроводником n-типа (от слова negativ — отрицательный). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами. Примеси искажают поле решётки, что в свою очередь будет приводить к возникновению на энергетической схеме, так называемых локальных уровней, расположенных в запрещенной зоне кристалла. Любой уровень валентной зоны или зоны проводимости может быть занят электроном, находящимся в любом месте кристалла. Энергию, соответствующую локальному уровню, электрон может иметь, лишь находясь вблизи атома примеси, вызвавшего появление этого уровня. Следовательно, электрон, занимающий примесный уровень, локализован вблизи атома примеси. Если донорные уровни расположены недалеко от потолка валентной зоны, они не могут существенно повлиять на электрические свойства кристалла. Иначе обстоит дело, когда расстояние таких уровней от дна зоны проводимости гораздо меньше, чем ширина запрещённой зоны, В этом случае энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости. Этому процессу соответствует отщепление валентного электрона от атома примеси. Захвату свободного электрона атомом примеси соответствует переход электрона из зоны проводимости на один из донорных уровней. Уровень Ферми в полупроводнике n-типа лежит между донорными уровнями и дном зоны проводимости, при невысоких температурах — приблизительно посредине между ними. Если же валентных электронов соответствующих атомов кристалла окажется недостаточно для образования связей со всеми соседями, то одна из связей окажется неукомплектованной и будет представлять собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникнет дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникнет избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не сможет стать носителем тока. Таким образом, в полупроводнике, валентные возможности атомов кристаллической решётки которого недостаточны, будут возникать носители тока только одного вида – «дырки». Проводимость в этом случае будет являться дырочной, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит к p-типу (от слова positiv — положительный). Примеси, вызывающие возникновение «дырок», называются акцепторными. На схеме уровней, акцептору будет соответствовать локальный уровень, расположенный в запретной зоне недалеко от её дна. Образованию «дырки» отвечает переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень. Обратный переход соответствует разрыву одной из ковалентных связей атома примеси с его соседями и рекомбинации образовавшегося при этом электрона и «дырки». Уровень Ферми в полупроводнике р-типа лежит между потолком валентной зоны и акцепторными уровнями, при невысоких температурах – приблизительно посредине между ними. С повышением температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения. Это означает, что практически освобождаются все донорные или заполняются электронами все акцепторные уровни. Вместе с тем по мере роста температуры всё в большей степени начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, при высоких температурах проводимость полупроводника будет складываться из примесной и собственной проводимости. При низких температурах преобладает примесная, а при высоких – собственная проводимость.