Домішкова провідність напівпровідників

Якщо у власному напівпровіднику деякі атоми замінити атомами з іншою валентністю (наприклад, атоми Ge замінити атомами As), одержимо домішковий напівпровідник. Навіть незначна кількість домішкових атомів (1 домішковий атомна 10⁵ атомів основного напівпровідника) суттєво змінює фізичні властивості напівпровідників. Домішки відіграють подвійну роль. В одних випадках вони є додатковими постачальниками електронів у кристалі (атоми таких домішок називаються донорами), а в інших — центрами захоплення електронів у кристалах (атоми таких домішок називаються акцепторами — одержувачами). Домішкова провідність напівпровідників буває електронна і діркова.

1. Розглянемо домішкову електронну провідність на прикладі германію з домішками атомів миш'яку. Германій — чотиривалентний елемент, а миш'як — п'ятивалентний. Коли в кристалічній решітці атом германію заміщується атомом миш'яку, чотири електрони миш'яку утворюють міцний ковалентний зв'язок з чотирма сусідніми атомами германію, а п'ятий електрон миш'яку, слабо зв'язаний із своїм атомом, легко робиться вільним навіть при кімнатній температурі. Домішкові атоми миш'яку є донорами електронів. Тому електропровідність такого напівпровідника називається електронною, а напівпровідник — n-типу

На основі зонної теорії домішкова електронна провідність пояснюється так. Енергія домішкових електронів менша від енергії нижчого рівня зони провідності напівпровідника. Тому енергетичні рівні домішкових електронів (донорні рівні) лежать у забороненій зоні напівпровідника, причому ближче до зони провідності (рис. 8.1.3). Оскільки енергія Е'_д дуже мала (наприклад, для кремнію з домішками As 0, 054 eB, то за рахунок теплової енергії електрони домішок з донорного рівня переходять у зону провідності напівпровідника.

Рис. 8.1.3 Рис. 8.1.4

 

2. Домішкову діркову провідність германій матиме тоді, коли домішковий елемент буде тривалентний, наприклад, індій. Коли атом германію заміщується атомом індію, останній утворює міцний зв'язок тільки з трьома валентними електронами германію і для утворення повного ковалентного зв'язку не вистачає одного електрона. Тому один з електронів сусіднього атома германію заповнює в атомі індію валентний четвертий зв'язок. Атоми індію при цьому стають центрами захоплення електронів. На місці електрона, який відірвався від германію, з΄ являється «позитивна дірка». Ця дірка заповнюється електронами від сусіднього атома германію. Процес повторюється: дірки безладно перемішуються в об'ємі напівпровідника. Під впливом електричного поля дірки утворюватимуть струм.

За зонною теорією домішкові акцепторні атоми вносять додаткові незайняті енергетичні рівні, які лежать в області забороненої зони ближче до верхнього рівня валентної зони напівпровідника (рис. 8.1.4). Раніше заповнена валентна зона напівпровідника стає зоною діркової провідності. Такий тип провідності напівпровідника називається дірковою домішковою провідністю або провідністю р-типу.

При низьких температурах провідність напівпровідників здійснюється за рахунок домішок, тобто Е_д > > Е'_д і Е_а > > Е'_а і для цього потрібна менша енергія.

З ростом температури іонізується все більша кількість атомів домішок. Настає температура, при якій всі домішкові атоми іонізовані (область виснаження). При більш високих температурах Т зростання електропровідності пояснюється власною провідністю. Характер залежності електропровідності від Т подано на рис. 8.1.5.

Рис. 8.1.5

Практично при дослідженні температурної залежності електропровідності напівпровідників часто користуються не провідністю а просто опором напівпровідника. Для тих температур, для яких формули (7) і (8) мають місце, можна записати:

а) для власного напівпровідника

, (9)

де DЕ — ширина забороненої зони;

б) для напівпровідника n-типу

, (10)

де DЕ_д — енергія іонізації донорів;

в) для напівпровідника р-типу

, (11)

де DЕ_а, — енергія іонізації акцепторів;

г) для домішкового напівпровідника з обома видами домішок

, (12)

де DЕ — ширина забороненої зони.