11.3 Примесная проводимость полупроводников

Электрическая проводимость полупроводников весьма чувствительна даже к ничтожным количествам примесей, содержащихся в них. Так введение в кремний всего лишь 0,001% бора увеличивает его проводимость при комнатной температуре в 1000 раз.

Проводимость полупроводника, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупроводниками.

Для выяснения механизма действия примесей на проводимость полупроводников рассмотрим влияние 5-валентного мышьяка и 3-валентного индия на свойства германия.

Н а языке зонной теории процесс возникновения примесной проводимости можно представить следующим образом. Между заполненной энергетической зоной I и свободной зоной II чистого германия располагается узкий энерге­тический уровень D валентных электронов мышьяка (рис.114). Этот уровень размещается непосредственно у дна зоны проводимости II, отстоя от него на расстоянии E_d = 0,015 эВ. Его назы­вают примесным уровнем. При сообщении электронам примесного уровня энергии E_d = 0,015 эВ они переходят в зону проводимости II. Образующиеся при этом положительные заряды локализуются на не­подвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют. Так как энергия возбуждения электронов примесных уровней E_d почти на 2 порядка меньше энергии возбуждения собственных элек­тронов германия (E₀), то при нагревании возбуждаются в первую очередь электроны примесных атомов, вследствие чего их концен­трация может во много раз превысить концентрацию собственных электронов. В этих условиях германий будет обладать в основном примесной электронной проводимостью. Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны и возникает электронная проводимость (проводимость n-типа).

Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками п-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями.

Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов германия замещена атомами трехвалентного индия (рисунок 92). незаполненные энергетические уров­ни атомов индия располагаются непосредственно у верхнего края заполненной зоны I на расстоянии E = 0,015 эВ.. Близость этих уровней к заполненной зоне I при­водит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из зоны I переходят на примесные уровни.

Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решетке германия и в проводимости не участвуют (электроны захватывают­ся примесью). Носителями тока являются лишь дырки, возникаю­щие в зоне I. Поэтому проводимость германия в этом случае в ос­новном дырочная.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проводимость р-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями.

В отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводника обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в случае донорной примеси и дырками в случае акцепторной примеси. Эти носители называются основными. Кроме них полупроводник содержит неосновные носители: электрон­ный полупроводник — дырки, дырочный полупроводник — элек­троны. Концентрация их, как правило, значительно ниже концен­трации основных носителей. Поэтому доля, вносимая ими в прово­димость полупроводника, во много раз меньше доли, вносимой основными носителями.

ЛЕКЦИЯ 15