Примесная проводимость полупроводников.

Для создания полупроводниковых приборов необходимы материалы с управляемой проводимостью. Такие материалы получают добавлением в чистый полупроводник примесей других элементов. Добавление в чистый полупроводник даже малого количества примеси вызывает значительное увеличение проводимости.

Проводимость полупроводника, обусловленная наличием в нем примесей, называется примесной проводимостью. Ее вид зависит от того, какой элемент введен в полупроводник в качестве примеси.

Рис. 7.7. Модель кристаллической решетки: а) — электронного полупроводника; б) — дырочного полупроводника

7.3.1. Электронная проводимость. Для получения полупроводника с электронной проводимостью в чистый полупроводник — германий или кремний — вводят небольшое количество элемента пятой группы периодической системы элементов: сурьмы, мышьяка, фосфора. Перед этим сначала очищают германий (в тщательно очищенном полупроводниковом материале примеси составляют не более 10^-11 %). После очистки в германий вводят, мышьяк, концентрация атомов которого составляет 10^-5— 10^-7 % концентрации атомов германия. Чаще всего атомы мышьяка замещают атомы германия в узлах кристаллической решетки. При этом четыре валентных электрона атома мышьяка образуют прочные парноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон атома-мышьяка в образовании парноэлектронной связи не участвует (рис. 7.7,а), поэтому он оказывается слабо связанным со своим атомом и может быть легко оторван от него. Достаточно энергии 0,01 эВ, чтобы оторвать этот пятый избыточный электрон от атома мышьяка и превратить его в свободный электрон, который может перемещаться в объеме полупроводника, создавая электронную проводимость.

Атом мышьяка, потерявший один электрон, превращается в положительный ион, который оказывается неподвижным, так как он прочно удерживается в узле кристаллической решетки парноэлектронными связями.

Таким образом, введение примеси в полупроводник приводит к повышению концентрации подвижных носителей заряда только одного вида, в данном случае электронов.

Подвижные носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными носителями заряда.

Элементы, атомы которых легко отдают свои электроны, создавая в полупроводнике избыток свободных электронов, называются донорами. Обычно донорами для германия являются мышьяк и сурьма, а для кремния — фосфор и сурьма.

В полупроводнике с донорными примесями электроны являются основными носителями заряда, а дырки — второстепенными, неосновными.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избыточных свободных электронов, называется электронной проводимостью.

Полупроводник, в котором основными носителями электрических зарядов являются электроны, называются электронным полупроводником или полупроводником n-типа (от лат. negativus — отрицательный).

7.3.2. Дырочная проводимость. Для создания проводника с дырочной проводимостью в кристалл чистого германия вводят примеси трехвалентных элементов, например индия. При этом три валентных атома индия образуют три парноэлектронные связи с соседними атомами германия. В результате теплового движения электрон одного из соседних атомов германия может перейти в незаполненную связь атома индия. В атоме германия появится одна незаполненная связь — дырка. Захваченный атомом индия четвертый электрон образует парноэлектронную связь и прочно удерживается атомом индия. Атом индия становится при этом неподвижным отрицательным ионом.

Примеси, атомы которых захватывают и прочно удерживают электроны атомов полупроводника, называются акцепторными или акцепторами (от лат. acceptor — принимающий).

Наличие в чистом кристалле германия акцепторной примеси приводит к появлению в нем избытка дырок, т. е. к тому, что концентрация подвижных дырок становится больше концентрации свободных электронов. Это значительно повышает проводимость полупроводника.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избытка подвижных дырок, т. е. превышением их концентрации над концентрацией электронов, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа (от лат. positivus — положительный). Основными носителями зарядов в полупроводнике с акцепторной примесью являются дырки, а неосновными — электроны.

Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называются дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. Обычно акцепторными примесями для германия являются индий и галий, а для кремния — бор и алюминий.