Примесные полупроводники. Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат примесные атомы, создающие собственные энергетические уровни

Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат примесные атомы, создающие собственные энергетические уровни, получившие название примесных уровней. Эти уровни могут располагаться в запрещенной зоне полупроводника на различных расстояниях от вершины валентной зоны и дна зоны проводимости. Основные типы примесных уровней - донорные и акцепторные.

К донорным примесям относятся элементы периодической системы Менделеева, валентность которых на единицу больше, чем у атомов основного элемента полупроводника.

Пусть в кристалле германия часть атомов замещена атомами мышьяка. Для установления связи с соседними атомами Ge атом As расходует четыре валентных электрона, пятый в образовании связи не участвует. Его связь с ядром атома As ослаблена в ε раз (ε=16 -диэлектрическая проницаемость германия) и составляет Ε_D»0,01 эΒ. Энергетические уровни атомов мышьяка размещаются непосредственно у дна зоны проводимости, на расстоянии Ed от нее.·

При сообщении электрону энергии Ed (Т>0 К) он отрывается от атома As и приобретает способность свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь в электрон проводимости (рис.7, а). Образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах As (положительные ионы As+) и в электропроводимости не участвуют. Поэтому полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа. Зонная структура такого полупроводника при Т>0 К показана на рис.7, б.

а) б)

Рис.7

К акцепторным примесям относятся элементы периодической системы Менделеева, валентность которых на единицу меньше, чем у собственного полупроводника.

Пусть в кристалле германия часть атомов замещена атомами индия, валентность которых равна трем. Трехвалентные примеси приводят к появлению в запрещенной энергетической зоне акцепторных уровней, располагающихся вблизи валентной зоны.

Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. С повышением температуры этот электрон может быть заимствован у соседнего атома германия (рис.8,а). Для этого требуется энергия E_A=0,01 эВ. Связываясь с атомом индия, электрон теряет способность к перемещению и в проводимости не участвует. Разорванная связь у атома Ge представляет собой дырку, так как она отвечает образованию в валентной зоне германия вакантного состояния (рис.8,б). Поэтому полупроводники, содержащие акцепторные примеси, называются дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа.

Рис. 8

Итак, в примесных полупроводниках проводимость обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в полупроводниках донорного типа и дырками в полупроводниках акцепторного типа. Эти носители называют основными. Помимо них полупроводники всегда содержат неосновные носители: донорный полупроводник — дырки, акцепторный полупроводник — электроны. Неосновные носители появляются в полупроводнике за счет перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. На месте ушедших электронов в валентной зоне остаются дырки. Это происходит при достаточно высоких температурах.