1.1.2. Носители заряда в примесных полупроводниках

При производстве полупроводниковых приборов вместо чистых полупроводников используют примесные полупроводники. Введение примеси связано с необходимостью создания в полупроводнике преимущественно электронной либо дырочной электропроводности и увеличения электрической проводимости. В связи с этим различают соответственно электронные (n-типа) и дырочные (р-типа) полупроводники. Для получения полупроводника n-типа в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в полупроводнике только свободные электроны. Вводимая примесь является «поставщиком» электронов, в связи с чем ее называют донорной.

Для германия и кремния, относящихся к IV группе Периодической системы элементов, донорной примесью служат элементы V группы (сурьма, фосфор, мышьяк), атомы которых имеют пять валентных электронов. При внесении такой примеси атомы примеси замещают атомы полупроводника в отдельных узлах кристаллической решетки. Четыре электрона каждого атома примеси участвуют в ковалентной связи с соседними атомами исходного материала, а пятый электрон оказывается значительно слабее связанным со своим атомом (рис. 16). Для его превращения в свободный носитель заряда требуется меньшее количество энергии, чем для освобождения электрона из ковалентной связи. В результате приобретения дополнительной энергии «избыточный» электрон покидает атом и становится свободным, а атом примеси превращается в положительный ион.

Рис. 16. Возникновение свободного электрона в кристалле полупроводника n-типа

В условиях достаточно большой концентрации атомов примеси их ионизация создает некоторую концентрацию в кристалле полупроводника свободных электронов и неподвижных положительных ионов, локализованных в местах расположения атомов примеси. Слой полупроводника остается электрически нейтральным, если освободившиеся электроны не уходят за пределы слоя. При уходе электронов под действием каких-либо факторов в другие слои кристалла оставшиеся положительные ионы донорной примеси создают в данном слое нескомпенсированный положительный объемный заряд.

Концентрация свободных электронов в полупроводнике n-типа определяется преимущественно концентрацией введенной примеси , а не собственными электронами валентной зоны. В соответствии с этим концентрация электронов в полупроводнике -типа существенно выше концентрации дырок , образующихся в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Электроны в таком типе полупроводника являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.

В полупроводниках р-типа введение примеси направлено на повышение концентрации дырок. Задача решается использованием в качестве примеси элементов III группы Периодической системы (индий, галлий, алюминий, бор), атомы которых имеют по три валентных электрона. При наличии такой примеси каждый ее атом образует только три ковалентные связи с соседними атомами исходного полупроводника (рис. 17). Четвертая связь остается незаполненной. Недостающий валентный электрон принимается от одного из соседних атомов кристаллической решетки. Требуемая для такого перехода энергия невелика. Переход электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи соседнего атома, откуда ушел электрон и превращению атома примеси в неподвижный отрицательный ион. В результате за счет примеси достигается повышение концентрации дырок в полупроводнике. Атомы примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, называют акцепторными, а примесь – акцепторной.

Рис. 17. Возникновение дырки в кристалле полупроводника p-типа

В условиях достаточно большой концентрации атомов акцепторной примеси в кристалле полупроводника создается некоторая концентрация подвижных дырок и неподвижных отрицательных ионов. В нормальных условиях число дырок в полупроводнике p-типа остается равным числу отрицательных ионов, в слое сохраняется зарядная нейтральность. Если вошедшие из других слоев электроны заполнят некоторое число существующих дырок, в данном слое появится нескомпенсированный отрицательный объемный заряд, создаваемый ионами акцепторной примеси.

Концентрация дырок в валентной зоне определяется преимущественно концентрацией внесенной акцепторной примеси , а не дырками, возникающими при термогенерации носителей заряда за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны. В соответствии с этим концентрация дырок в полупроводнике p-типа существенно больше концентрации свободных электронов . Дырки в этом случае являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.

Необходимая для создания полупроводников n и p-типа примесь вносится в количестве, при котором концентрация основных носителей заряда существенно (на два-три порядка) превышает концентрацию неосновных носителей заряда. В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с чистым полупроводником в десятки и сотни тысяч раз.

Характерной особенностью примесных полупроводников является то, что произведение концентраций основных и неосновных носителей заряда при данной температуре является постоянной величиной и определяется соотношением

(11)

где собственные концентрации носителей заряда в чистом полупроводнике.

Зависимость концентрации носителей заряда от температуры накладывает ограничения на температурный диапазон применения полупроводниковых приборов. Рабочий диапазон температур характеризуется существенным превышением в примесных полупроводниках кноцентрации основных носителей заряда над неосновными ( и ) при концентрации основных носителей заряда, близкой к концентрации внесенной примеси ( и ).

При температурах, превышающих верхний температурный предел, число носителей заряда, создаваемых в кристалле при термогенерации за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны, резко возрастает. При этом может оказаться, что электрическая проводимость в полупроводнике будет определяться не концентрацией внесенной примеси, а концентрацией собственных носителей заряда. Верхний температурный предел зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника и составляет для германия 75…85 ⁰С, а для кремния 150…170 ⁰С. При этом преимущество кремния над германием очевидно.

При температуре ниже рабочего диапазона основную роль в создании тока играют основные носители заряда, уменьшение концентрации которых за счет уменьшения количества ионизированных атомов примеси вызывает уменьшение электрической проводимости. Нижний температурный предел работы полупроводниковых приборов составляет – 55… – 60 ⁰С.