Домішкова провідність напівпровідників

Провідність напівпровідників, зу­мовлена домішками, називається домішковою провідністю, а самі напівпровідники – домішковими напівпровідниками.

Домішками є атоми сторонніх елементів, надлишкові атоми, пусті вузли або атоми в міжвузлях і механічні дефекти. Наявність в напівпровіднику домішки суттєво змінює його провідність.

Розглянемо кристал германію в якому кожний атом зв’язаний з чотирма сусідами.

При заміщенні атома германію Ge п’ятивалентним атомом арсену As один електрон не може утворити ковалентний зв’язок, він виявляється зайвим і може бути при теплових коливаннях ґратки легко відщеплений від атома, тобто стати вільним (рис. 363).

                                                                               

Утворення вільного електрона не супроводжується порушенням ковалентного зв’язку, дірка не виникає. Надлишковий позитивний заряд, що виникає поблизу атома домішки, зв’язаний з атомом домішки, і тому переміщатися по ґратці не може.

З точки зору зонної теорії цей процес можна пояснити так. Введення домішки спотворює періодичне поле ґратки, що приводить до виникнення в забороненій зоні енергетичного рівня D валентних
електронів арсену, який називається домішковим рівнем (рис. 364). У випадку Ge з домішкою Аs цей рівень розміщується від дна зони провідності на відстані . Оскільки , то уже при звичайних температурах енергія теплового руху достатня для того, щоб перевес­ти електрони з до­мішкового рівня в зону провідності. Дірки, які утворюються при цьому, локалізуються на нерухомих атомах арсену і у провідності участі не беруть.

Отже, в напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю більша, ніж валентність основних атомів, носіями струму є електрони, виникає електронна домішкова провідність n -типу.

Напівпровідники з такою провідністю називаються електронними (n-типу).

Домішки, які є джерелом електронів, називаються донорами, а енергетичні рівні цих домішок – донорними рівнями.

Припустимо тепер, що в ґратку германію (Ge) введено домішковий атом індію (In) з трьома валентними електронами (рис. 365). Для утворення зв’язків з чотирма сусідами в атома індію не вистачає одного електрона, один із зв’язків залишається неукомплектованим і четвертий
електрон може бути захоплений від сусіднього атома германію, де утворюється дірка.

                                                                            

Дірки не залишаються локалізованими, а переміщаються в ґратці Ge як вільні позитивні заряди. Надлишковий від’ємний заряд, що виникає поблизу атома домішки, зв'язаний з атомом домішки і в ґратці переміщатися не може.

Згідно із зонною теорією введення тривалентного атома в ґратку Ge приводить до виникнення в забороненій зоні домішкового рівня А, не зайнятого електронами (рис. 366). У випадку Ge з домішкою In цей рівень локалізується вище верхнього краю валентної зони на . При порівняно низьких температурах електрони з валентної зони переходять на домішкові рівні і, зв’язуючись з атомами індію, втрачають здатність переміщатися в ґратці германію, тобто в провідності участі не беруть. Носіями струму є лише дірки, що виникають у валентній зоні.

Отже, в напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю менша, ніж валентність основних атомів, носіями струму є дірки – виникає діркова провідність.

Напівпровідники з такою провідніс­тю називаються дірковими (p-типу).

Домішки, що захоплюють електрони з валентної зони напівпровідника, називаються акцепторами, а енергетичні рівні цих домішок – акцепторними рівнями.

Домішкова провідність напівпровід­ників зумовлена, в основному, носіями одного знака: електронами – у випадку до­норної домішки, і дірками у випадку ак­цепторної. Ці носії струму називаються основними.

Крім основних носіїв, у домішкових напівпровідниках є неосновні носії: у напівпровідниках n -типу – дірки, а у напівпровідниках p -типу – електрони. Концентрація основних носіїв більша, ніж концентрація неосновних носіїв.

На рис. 367 показано зміну положення рівня Фермі при підвищенні температури в домішкових напівпровідниках до­норного (а) та акцепторного (б) типів.

                                                                  

Провідність домішкового напівпровідника, як і провідність будь-якого про­відника визначається концентрацією носіїв і їх рухливістю. Зі зміною температури
рухливість носіїв змінюється за порівняно слабим степеневим законом, а концентрація носіїв - за досить сильним експоненціальним законом. У зв’язку з тим залежність провідності домішкових напівпро­відників від температури визначається, в основному, температурною залежністю концентрації носіїв струму в ньому.