Лекции для студентов

Полупроводники любой степени чистоты и кристаллического совершенства содержат в себе определенное количество примесей и собственных дефектов. Они нарушают периодический потенциал кристаллической решетки, это приводит к появлению, как в разрешенных зонах, так и в запрещенных зонах полупроводника новых (дополнительных) уровней энергии. Практическое значение такое состояние полупроводника, когда энергетические уровни примесей и дефектов находятся в запрещенной зоне полупроводника. На этом основано широкое применение в практике примесных полупроводников, вариацией количества и состава примесей можно в широких приделах изменять физические свойства полупроводниковых приборов и твердотельных приборов. Все примесные полупроводники разделяются на два основных типа.

1. Полупроводники с донорной примесью (полупроводники донорного типа).

Представим себе кристаллы германия или кремния, для определенности кристаллы германия и пусть в них внесена примесь замещения. Предположим, что основные атомы замещаются атомами пяти валентного мышьяка As, атомы Ge четырех валентны. В кристалле Ge каждый атом находится в тетраэдрическом окружении четырех соседних атомов. Связь между атомами ковалентная, “спроектируем” химическую связь на плоскость. Атом As отдает четыре валентных электрона на образование химической связи с четырьмя соседними атомами Ge, пятый электрон As не принимает участия в химической связи (лишний электрон), но он продолжает вращаться вокруг иона атома As. Его взаимодействие с собственным ионом ослаблено в  — раз ,  — диэлектрическая проницаемость. Это уменьшение связано с экранированием, взаимодействие за счет связанных зарядов, образованных в результате поляризации кристаллической решетки. Радиус орбиты увеличивается в  — раз, он может охватывать несколько постоянных решеток кристалла. При этом энергия связи пятого валентного электрона уменьшается в раз. У изотропного атома As энергия ионизации равна , . Это значит, что если сообщить пятому валентному электрону энергию порядка ~ 0,01 эВ, то он оторвется от своего атома и может участвовать в переносе электрического тока, т.е. такой электрон перейдет в зону проводимости кристалла. На языке зонной теории этот процесс связан с образованием в запрещенной зоне Ge энергетического уровня . Этот уровень расположен вблизи дна зоны проводимости на расстоянии от нее . При сообщении такому электрону энергии он переходит в зону проводимости и может участвовать в переносе электрического тока.

На рисунке обозначен факт перехода пятого валентного электрона атома As в зону проводимости. В результате такого перехода появляется электрон в зоне проводимости полупроводника и положительный атом примеси. Примеси, которые являются источниками электронов для зоны проводимости, называются донорными. Атомы таких примесей называются донорными центрами. Уровень называется донорным уровнем. Важнейшим параметром донорных центров является их энергия ионизации . Она численно равна той энергии, которую необходимо затратить, чтобы оторвать валентный электрон атома примеси и перенести его на дно зоны проводимости. Это минимальная энергия необходимая для ионизации атома примеси. Если то такие доноры называются мелкими. Свойствами мелких доноров обладает такая примесь, у которой валентность отличается на единицу от валентности основных атомов. Если бы валентность атома примесей была бы больше валентности основных атомов больше чем на единицу, то при отрыве первого валентного электрона, потребовалась бы энергия , а при отрыве второго электрона ; потому что второй электрон отрывался бы от положительного иона, и в запрещенной зоне полупроводника имело бы место появление нескольких донорных уровней; такие атомы примесей называются многозарядными центрами.

На месте донорного центра, из которого валентный электрон перешел в зону проводимости, образуется положительно заряженный ион. Однако такие положительно заряженные центры не могут принимать участие в протекании электрического тока. Как видно из зонной диаграммы все примесные центры имеют один (одинаковый) уровень . Это связано с тем, что при небольшой концентрации примесных центров , примесные центры не взаимодействуют между собой (изолированы друг от друга) и следовательно, все однотипные валентные электроны имеют одинаковую энергию, т.е. не образуется примесная зона. Вероятность “перескока” валентных электронов от одного атома примеси к другому мала, потому что велика ширина потенциального барьера и вероятность туннельного перехода мала. Таким образом, в этом случае свободное состояние примесного центра не является дыркой, оно не участвует в переносе электрического тока. При концентрации вместо одиночного уровня образуется примесная зона и могут наблюдаться перескоки электронов от одного примесного центра к другому, у которого состояние валентного электрона свободно и тогда такое состояние в примесной зоне играет роль дырки.

При низких температурах интенсивность тепловых переходов из валентной зоны в зону проводимости может быть ничтожно мала, но интенсивность тепловых переходов электронов из донорного уровня в зону проводимости может быть значительна и тогда проводимость полупроводника будут определять в основном “примесные” электроны в зоне проводимости. В этом случае полупроводник донорного типа будет обладать монополярной электронной проводимостью. Такой полупроводник называется электронным или n — типа, при условиях отсутствия примесной зоны. Значит, для получения полупроводников n типа в кристалл необходимо ввести только мелкую донорную примесь.

2) Полупроводники с акцепторной проводимостью.

Введем в кристалл Ge атомы примесей из III группы системы Менделеева, например трех валентные атомы In. Три валентных электрона идут на образование химической связи с соседними атомами, но одна связь оказывается неукомплектованной и атом In “заимствует” один электрон от ближайшего собственного атома Ge, для этого нужна энергия . В этом случае переход электрона от собственного атома к атому примесей эквивалентен образованию в валентной зоне кристалла дырки. На языке зонной теории этот процесс связан с образованием энергетического уровня в запрещенной зоне полупроводника, вблизи потолка валентной зоны на расстоянии от него (смотри рисунок).

В результате захвата примесным центром валентного электрона он заряжается отрицательно, а в валентной зоне появляется дырка, которая может участвовать в переносе электрического тока.

Примесь, которая является источником дырок валентной зоны полупроводника, называется акцепторной, ее атомы называют акцепторными центрами. Если (мелкие акцепторы), то при низких температурах проводимость полупроводника будет определяться только дырками, т.е. полупроводник будет обладать монополярной дырочной проводимостью или проводимостью p — типа.