Примесные полупроводники

Полупроводники, у которых электропроводность и механизм появления свободных электронов и дырок определяются характером собственного энергетического спектра кристалла и не связаны с присутствием примесей, называются собственными полупроводниками. Проводимость собственных полупроводников называется собственной проводимостью. Наряду с собственными полупроводниками имеется широкий класс соединений, в которых концентрация носителей определяется примесями. Такие полупроводники, в которых проводимость и концентрация носителей в основном определяются примесями, называются примесными полупроводниками.

Если в решетку кристалла внести чужеродный атом, то часть энергетических уровней этого атома попадает в запрещенную зону. При этом следует различать два случая.

Электронный полупроводник

Пусть занятый электронами энергетический уровень примесного атома находится вблизи дна зоны проводимости (рис.6). Электроны на этих примесных уровнях не могут участвовать в проводимости. Но энергия, необходимая для

перевода этих электронов в свободную зону ΔЕ_П, относительно мала и сравнима с энергией теплового движения Е_Т~ kT при комнатных температурах. Поэтому, при комнатных температурах собственная проводимость такого полупроводника мала, а основную роль играют переходы спримесного уровня в зону проводимости. Число электронов, попавших в зону проводимости с примесных уровней, равно:

,

где ,N_П - концентрация примесей, N_C – число свободных мест в зоне проводимости.

Таким образом, при низких температурах в проводимости рассмотренного кристалла доминирующую роль играют электроны, перешедшие в зону проводимости с примесных уровней. Такой механизм проводимости называется примесным механизмом. Полупроводник, проводимость которого осуществляется электронами и в основном определяется примесями, называется примесным электронным полупроводником. Атомы, отдавшие электроны в зону проводимости, называются донорами. Энергетические уровни, образованные примесными атомами, называются донорными уровнями.

Для электронного полупроводника справедливо также соотношение (5). При низких температурах, когда число электронов в зоне проводимости много меньше, чем общее число электронов на донорных уровнях, зависимость является линейной с тангенсом угла наклона.

При достаточно высоких температурах все электроны с донорных уровней переходят в зону проводимости и наступаетистощение примесных уровней. Концентрация свободных электронов в зоне проводимости при этом становится постоянной, не зависящий от температуры. На температурной зависимости проводимости это проявляется в виде горизонтального участка (рис.7). При дальнейшем повышении температуры возрастает вклад в проводимость электронов, перешедших в зону проводимости из валентной зоны, и полупроводник становится собственным. При некоторой концентрации примесей горизонтальный участок на кривойисчезает (рис.8). Это связано с тем, что переход электронов в зону проводимости из валентной зоны начинается раньше, чем происходит истощение электронов на примесных уровнях. При дальнейшем повышении концентрации примесей наклон на участке примесной проводимости начинает уменьшаться и при некоторой концентрации примесей обращается в нуль. Это значит, что концентрация свободных электронов в зоне проводимости остается постоянной от самых низких температур до температур, при которых начинается собственная проводимость. Такие соединения называютсяполуметаллами.При низких температурах полуметаллы ведут себя как металлы. У них концентрация носителей постоянна, а электропроводность падает с ростом температуры за счет уменьшения подвижности носителей. При высоких температурах эти соединения являются полупроводниками. У них проводимость растет экспоненциально за счет роста концентрации носителей.