Примеси замещения и примеси внедрения
Если атом примеси попадает в узел кристаллической решетки и замещает в этом узле атом основного элемента, то такие примеси называются примесями замещения.
Если атом примеси попадает в междоузлие кристаллической решетки, то такие примеси называются примесями внедрения.
В качестве примесей могут быть не только чужеродные атомы примесей, но также избыточные по стехиометрическому составу атомы исходного элемента, а также различные сдвиги, дислокации, микротрещины в кристаллической решетке.
Примеси замещения. Ковалентные структуры типа алмаза
Германий и кремний — элементы четвертой группы таблицы Менделеева — имеют структуру алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. В данной структуре действуют ковалентные связи.
Для выяснения роли атома замещения в решетке германия заменяют реальную трехмерную решетку плоской сеткой, как показано на рисунке 35, а. Валентные электроны закреплены за своими атомами и не блуждают по кристаллу. Если на место одного из атомов полупроводника (в данном случае германия) в какой-либо узел решетки попадает посторонний атом другой химической природы и иной валентности, то система валентных связей в этом месте кристалла оказывается нарушенной, и могут быть два случая (рисунок 35, б и в).
Рисунок 35 - Схематическое изображение кристаллической решетки германия:
а - без примесей;
б - с донорной примесью мышьяка;
в - с акцепторной примесью индия (1—4 — номера электронов)
Рассмотрим кристаллическую решетку германия с примесью мышьяка — элемента пятой группы, у которого на внешней орбите расположено пять электронов (рисунок 35, б). Попав в узел решетки германия и связав четыре из своих электронов, такая примесь дает избыточный слабо связанный электрон 1, который под влиянием тепловой энергии может начать беспорядочно блуждать по кристаллу, а под воздействием электрического поля он станет направленно перемещаться (электропроводность типа п). Атом примеси, потерявший электрон, представляет собой положительно заряженную частицу, неподвижно закрепленную в данном месте решетки полупроводника. В рассмотренном случае примесь элемента пятой группы периодической системы будет донорной.
Если в решетке германия находится примесь — элемент третьей группы — индий, имеющий на внешней орбите три валентных электрона, то такая примесь создает в решетке дырку (рисунок 35, в). В данном случае атом примеси может заимствовать электрон у одного из соседних атомов германия и стать отрицательно заряженной частицей, неподвижно закрепленной в данном месте решетки полупроводника, а дырка начнет блуждать по кристаллу. При приложении электрического поля, как показано на рисунке 35, в, электрон будет взят от левого атома германия, который при этом получит положительный заряд и, в свою очередь, захватит электрон от следующего атома, т.е. дырка будет направленно передвигаться справа налево (электропроводность типа р). На самом деле в этом случае движутся только электроны 1, 2, 3, 4-й, но их эстафетное перескакивание с атома на атом можно формально описать как движение одной дырки, перемещающейся в направлении, обратном направлению движения электронов, т.е. в направлении поля. Примесь элемента третьей группы периодической системы будет акцепторной.