20. Примесный полупроводник –донор.

Примесные полупроводники

Примесный полупроводник - это полупроводник, элек­т­ро­­­фи­зи­­чес­кие свойства которого определяются, в основном, при­ме­ся­­ми дру­гих химических элементов.  Процесс вве­дения примесей в по­­лу­­про­водник называется леги­ро­ва­ниемполупроводника, а са­ми при­­­­меси называют леги­ру­ю­щи­ми. Для равномерного распре­де­­ле­­ния легирующей примеси в объ­еме полупроводника ле­ги­ро­ва­­ние осу­­щест­в­ля­ет­ся в процессе вы­ращивания монокристалла по­лу­­про­вод­ника из жидкой или га­зо­образной фазы. Локальное ле­ги­­ро­ва­ние части объема полу­про­водника­, например, при­по­ве­р­х­ностной об­­ла­сти, производится методом диффузии при силь­ном нагреве полупроводника или низкотемпературными методами ион­ного ле­ги­ро­вания.

Роль примесей могут играть и всевозможные дефекты стру­к­ту­ры кри­­сталлической решетки полупроводника, такие как вакан­сии,  ме­ж­ду­узельные атомы, дислокации.

При малой концентрации примесей (10²¹...10²³ м^-3) примесные атомы со­­з­­дают  дополнительные дискретные энергетические уровни в за­­п­ре­щенной зоне полупроводника. Такой полупроводник на­зы­ва­ется не­вы­рожденным.Повышение концентрации примесных ато­­мов в полупроводнике до 10²⁴...10²⁵ м^-3 сопровождается поя­в­ле­нием в за­пре­щенной зоне по­лу­про­водника вместо дискретных уров­ней зон при­­мес­ных уров­ней. Такие полупроводники на­зы­ва­ютвы­рож­ден­ными.

Различают два основных вида примесей, которые ис­поль­зую­т­­ся для преднамеренного легирования полупроводников и соз­да­ю­­щих преимущественно электронный или дырочный тип про­во­ди­­мо­сти. Примеси, введение которых в полупроводник соз­да­­ет  эле­к­т­ронный тип проводимости, называются донорными. При­­месь, соз­да­ющая дырочную про­води­мость, называется акцеп­тор­ной.

Электронные полупроводники.   Полупроводник, легирован­ный донорной примесью, называют полупроводником электрон­но­­­го типа (n-типа) проводимости или электронным полупровод­ни­ком.

Электронная проводимость появляется в результате ле­ги­ро­ва­ния по­­лупроводника элементами, име­ющими большую ва­ле­н­т­ность, чем валентность атомов из кото­рых состоит полу­про­вод­ни­к. На­при­­мер, для Si и Ge, являющи­ми­ся эле­ментами 4 груп­пы таб­ли­­цы Мен­де­­­леева, в качестве до­норных примесей при­ме­ня­ют эле­­ме­н­­­ты 5 группы, как правило это ₁₅P, ₃₅As, ₅₁Sb.

Замещая узлы кристаллической решетки полупроводника, ато­­мы донорной примеси отдают часть своих валентных эле­к­т­ро­нов для создания ковалентных связей с атомами основного ве­ще­ст­­ва и уча­ст­вуют в создании дополнительных энергетических уро­в­ней в за­прещенной зоне полупроводника, как показано на рис. 1.25.

 

При образовании хи­ми­че­ской свя­зи с атомом кремния один из пя­ти валентных электронов ато­ма при­меси оказывается "лиш­ним" и переходит на стационарную ор­­биту вбли­зи атома примеси (рис. 1.25, а). У это­го электрона существует сла­бая эле­к­т­ро­стати­че­с­­кая связь с при­ме­­с­ным ато­мом за счет ку­ло­нов­с­ко­­­го вза­и­модей­с­т­вия. Энергия кулоновской связи DW_d со­­став­ля­ет всего 0,03...0,05 эВ. По­э­тому  для перехода "лиш­не­го" элек­трона в сво­­бо­­д­­ное со­сто­я­ние  до­статочно небольшой эне­р­­гии, ко­торую эле­к­т­рон мо­жет по­лу­чить за счет тепловых ко­ле­ба­ний кри­с­тал­­­ли­че­с­­кой ре­ше­тки.  В ре­­зультате атом донорной при­­ме­си ста­но­ви­т­ся по­­ло­жи­тельно за­­ря­жен­­­ным ио­ном.

Рассмотрим энергетическую зонную диаграмму полу­про­­во­­­д­­­ника с электронным типом проводимости, изображен­ную на рис. 1.25, б.  Как уже от­ме­чалось, для того, чтобы пятый ва­ле­н­т­ный эле­­­к­трон стал сво­бо­д­ным, необходимо затра­тить энергию зна­­чи­те­ль­но ме­­ньшую, чем для разрыва ковалентной связи. В со­от­­­ветствии с этим энер­ге­ти­че­с­кий уровень пятого валентного эле­к­трона на зон­­ной диаграмме до­л­­жен располагаться в за­пре­щен­­ной зоне вбли­зи дна зоны про­во­ди­мо­сти, образуя до­пол­ни­те­ль­­ный энерге­ти­чес­кий уровень донорной примеси с энергией W_d.