4.4. Примесная проводимость полупроводников

В большинстве полупроводниковых приборов и микросхем применяют полупроводники, у которых проводимость обусловлена наличием в них примесных центров. Примесными центрами являются: атомы или ионы посторонних примесей, различные дефекты и искажения кристаллической решётки.

Примеси могут различным образом влиять на количество и тип носителей тока в полупроводниках. Они могут служить дополнительными поставщиками электронов в кристалл. В этом случае основные носители тока в полупроводнике – электроны, а примесный полупроводник называется электронным (или n-типа).

Атомы примеси могут быть центрами прилипания: они захватывают электроны валентной зоны. В этом случае основные носители тока в полупроводнике – дырки, а примесный полупроводник называется дырочным (или р-типа).

Различают примеси замещения и примеси внедрения. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, замещая собой атомы основного вещества, то такую примесь называют примесью замещения. Если же примесные атомы располагаются в междуузлиях, несколько раздвигая кристаллическую решетку, то такую примесь называют примесью внедрения.

В полупроводниковой технологии обычно используются примеси замещения. Концентрация атомов примеси обычно очень мала, поэтому они расположены в полупроводнике на очень больших расстояниях друг от друга, и вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала. Примесные уровни в обычном пространстве существуют лишь вблизи самих примесных атомов. Таким образом, энергетические уровни примесидискретны и локальны. На энергетических диаграммах примесные уровни располагаются в запрещённой зоне основного материала^.

Рассмотрим более подробно возникновение примесной проводимости на примере решётки кремния.

1. Пусть один из атомов решётки кремния замещён атомом пятивалентной примеси (например, атомом мышьяка или фосфора, рис.4.10).

Четыре электрона примесного атома образуют ковалентные связи с соседними атомами; пятый электрон слабо связан со своим атомом и легко отрывается от него. Примесный атом при этом превращается в положительно заряженный ион.

Чтобы перевести электрон с примесного уровня в зону проводимости требуется незначительная энергия ΔE_d << ΔE. Она называетсяэнергией активации примесной проводимости.Для кремнияΔE_d=0,054 эВ, если примесь – мышьяк.

Атомы примеси в этом случае называютсядонорами, примесные уровни –донорными уровнями, примесная проводимость – проводимостьюn-типа, полупроводник –электронным.

Величина E_d равнаэнергии ионизации донора и равна энергии связи пятого валентного электрона с атомом донора.

Эта величина, как уже отмечалось выше, значительно меньше энергии ионизации собственных атомов (равной ширине запрещенной зоны). Поэтому в полупроводнике с донорными примесями при низких температурах преобладают электроны.

Кроме электронов, полупроводник n-типа содержит небольшое количество дырок, образующихся при редких переходах электронов из валентной зоны в зону проводимости (как и в собственном полупроводнике). Электроны в полупроводникеn-типа называютосновныминосителями заряда, а дырки –неосновными.

2. Пусть один из атомов решётки кремния замещён атомом трёхвалентной примеси (например, атомом бора, алюминия или индия, рис.4.12).

Для образования ковалентной связи недостаёт одного электрона. Недостающий электрон может быть захвачен у соседнего атома кремния. Примесный атом при этом превращается в отрицательно заряженный ион. На его месте образуется положительная дырка, способная перемещаться по кристаллу.

Примесный энергетический уровень в этом случае находится в нижней части запрещённой зоны (вблизи потолка валентной зоны, рис.4.13).

Чтобы перевести электрон из валентной зоны на примесный уровень требуется незначительная энергия ΔE_а << ΔE. Она также называетсяэнергией активации примесной проводимости.Для кремнияΔE_а=0,08 эВ, если примесь – бор.

Атомы примеси в этом случае называютсяакцепторами,примесные уровни –акцепторными уровнями, примесная проводимость – проводимостьюр-типа, полупроводник –дырочным.

Величина E_а равна энергии ионизации акцептора, она значительно меньше ширины запрещённой зоны. Поэтому в полупроводнике с акцепторными примесями при низких температурах преобладают дырки.

Кроме дырок, полупроводник р-типа содержит небольшое количество электронов. Дырки в полупроводникер-типа называютосновныминосителями заряда, а электроны –неосновными.