3. Домішкові напівпровідники

Істотно збільшити провідність можна, додавши до чистого власного напівпровідника невелику кількість домішок. До такого самого ефекту приводять різні дефекти в кристалах. При цьому змінюється правильне періодичне поле і, звичайно, енергетичний стан електронів.

Енергетичні рівні чужих домішкових атомів не збігаються з енергетичними рівнями основних атомів і часто розміщені навіть усередині забороненої зони основного напівпровідника. На рис. 31 зображено такий локальний рівень домішкового атома, який лежить усередині забороненої зони ближче до дна зони провідності.

За ширини забороненої зони ∆ ширина зони, що відокремлює локальний рівень від дна зони провідності, становить тільки . Якщо ∆=1…3 еВ, то =0,01…0,1еВ. Зрозуміло, що електрону, який перебуває на цьому ДОМІШКОВОМУ РІВНІ , практично «рукою подати» до зони провідності і при тій самій температурі цей рівень забезпечує істотну додачу електронів у зону провідності . Саме тому електрична провідність збільшується. Таку ситуацію маємо, наприклад, коли один атом германію змінюється атомом сурми (рис. Е.1-4.32).

Сурма (Sb) – представник V групи, має п’ять валентних електронів, а германій – всього чотири. Тому в процесі утворення зв’язків виникає «п’ятий зайвий». Він набагато слабкіше зв’язаний зі своїм атомом і легко може потрапити в зону провідності. Атом сурми, введений у кристал германію, виконує функцію «постачальника електронів», функцію донора. Звідси і терміни ДОНОРНА ДОМІШКА, ДОНОРНІ РІВНІ, ДОНОРНИЙ НАПІВПРОВІДНИК. Частіше говорять:НАПІВПРОВІДНИК n-ТИПУ.

Якщо ж атом германію буде заміщено атомом тривалентного елемента, наприклад атомом галію, то тепер уже буде не вистачати одного електрона для утворення нормального ковалентного зв’язку з чотирма сусідами . Тому з’явиться вакансія, і на неї може перейти ектрон від якогось іншого атома германію, створивши на звільненому місці нову вакансію. Інакше кажучи, усередині кристала блукатимуть дірки, і це приведе до появи домішкового рівня поблизу зони провідності дірок, тобто поблизу валентної зони, а також до збільшення концентрації дірок, і, звичайно, до збільшення діркової провідності (рис. Е.1-4.33). Домішки, введення яких ініціює процес утворення дірок, називають АКЦЕПТОРНИМ ДОМІШКАМИ. Відповідно, говорять про АКЦЕПТОРНІ РІВНІ , АКЦЕПТОРНІ НАПІВПРОВІДНИКИ. Частіше послуговуються терміном НАПІВПРВІДНИК р –ТИПУ. Таким чином, донорна домішка збільшує кількість електронів у зоні відповідності, але не змінює кількість дірок у валентній зоні. Тому електричний струм забезпечується переважно електронами в зоні провідності.

У донорних напівпровідниках основними носіями є електрони. Напівпровідники n-типу мають електронну провідність.

Що ж до акцепторної домішки, то вона збільшує кількість дірок у валентній зоні, але не збільшує кількості електронів у зоні провідності. Тому електричний струм забезпечується переважно дірками у валентній зоні.

В акцепторних напівпровідниках основними носіями є дірки. Напівпровідники р-типу мають діркову провідність.

Зауваження. У домішкових напівпровідниках зберігається,звичайно, і власна провідність,до того ж із підвищення температури концентрація власних носіїв може не тільки наздогнати, а й перевищити концентрацію домішкових носіїв, бо кількість атомів домішок набагато менша за кількість основних атомів; кожний атом домішки може створити свій локальний домішковий рівень; концентрації власних і домашкових носіїв пов’язані співвідношенням:

де - концентрація донорних носіїв заряду(електронів); - концентрація акцепторних носіїв заряду (дірок); - концентрація власних носіїв.

Тому при введенні до напівпровідника донорної домішки концентрація електронів збільшується, а концентрація дірок зменшується. Введення акцепторної домішки збільшує концентрацію дірок і водночас зменшує концентрацію електронів провідносності.