5.2.1.2.Проводимость полупроводников n-типа

Пусть небольшая часть атомов основного вещества замещена атомами примеси с валентностью на единицу большей. В качестве примера рассмотрим кремний, легированный фосфором – элементом V группы. Для установления связи с четырьмя ближайшими соседями атом фосфора использует четыре валентных электрона. Пятый электрон в образовании ковалентных связей не участвует, он продолжает двигаться вокруг своего атома, но связан с ним намного слабее. При сообщении этому электрону небольшой энергии он отрывается от атома фосфора и приобретает способность свободно перемещаться по кристаллу, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости (свободный электрон). Этот процесс условно показан на рис.57. После ухода пятого валентного электрона атом фосфора становится положительным ионом.

Рис.57	Рис.58

Все связи этого иона с соседями заполнены, поэтому положительный заряд перемещаться не может.

Таким образом, при ионизации одного атома примеси образуется только один носитель заряда – электрон; дырка при этом не образуется (см. рис.58).

При T > 0 в первую очередь возбуждаются электроны примесных атомов, поэтому их концентрация при низких температурах может во много раз превышать концентрацию собственных носителей заряда.

Примеси, являющиеся поставщиками электронов проводимости, называют донорными примесями или просто донорами, а уровни этих примесей – донорными уровнями.

На энергетической диаграмме (рис.58) донорные уровни располагаются в верхней части запрещенной зоны; расстояние этого уровня от «потолка» запрещенной зоны определяет энергию ионизации донора W_d=W_c-W_d, то есть ту минимальную энергию, которую необходимо сообщить электрону, чтобы перевести его в зону проводимости.Она равна энергии связи пятого валентного электрона с атомом донора.

Энергия ионизации донора значительно меньше энергии ионизации собственных атомов (равной ширине запрещенной зоны). Поэтому в полупроводнике с донорными примесями при низких температурах преобладают электроны, возникшие при ионизации доноров. Электропроводность такого полупроводника обусловлена главным образом электронами, поэтому его называют электроннымполупроводником, или полупроводникомn-типа.

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

5.2.2.2.Проводимость полупроводника p- типа

Рассмотрим полупроводник, легированный примесью, валентность которой меньшевалентности основного вещества на единицу. Например, пусть в 4-х-валентном кремнии небольшая часть атомов замещена атомами бора (В) – элемента Ш группы периодической системы ( рис.59).

Рис. 59 Рис. 60

Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона. Недостающий электрон может быть захвачен атомом бора у соседнего атома кремния. Для этого требуется сравнительно небольшая энергия. Атом бора, захвативший электрон, становится отрицательным ионом. Разорванная связь атома кремния образует дырку..

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей – акцепторными уровнями.

Где располагаются акцепторные уровни на энергетической диаграмме? На эти уровни легко могут переходить валентные электроны. Следовательно, акцепторные уровни располагаются в нижней части запрещенной зоны на небольшом расстоянии W_a от валентной зоны (рис.60). ВеличинаW_a называетсяэнергией ионизации акцептора. Это та минимальная энергия, которую необходимо сообщить валентному электрону, чтобы перевести его на акцепторный уровень.

В полупроводнике с акцепторными примесями электропроводность в основном обусловлена «примесными» дырками, поэтому такой полупроводник называют дырочным полупроводником или полупроводникомр-типа. В полупроводникер-типа дырки являютсяосновныминосителями заряда. Незначительное количество электронов в свободной зонер-полупроводника, обусловленных собственной проводимостью материала основы, называютнеосновныминосителями.

Для примесных полупроводников важно, чтобы их электрические свойства определялись в основном их примеснойпроводимостью и поменьше зависели от собственных свойств материала основы. Поэтому важное практическое значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых заметная собственная проводимость появляется при возможно более высокой температуре, то есть полупроводники с достаточно большой шириной запрещенной зоны. Тогда в рабочем диапазоне температур проводимость будет определяться лишь основными (примесными) носителями тока.

Для элементарных полупроводников IV группы (кремния, германия) донорами являются элементы V группы – N, Р, As, Sb, а акцепторами – элементы Ш группы – B, Al, Ga, In. Другие примесные атомы (а также дефекты кристаллической решетки) могут создавать в запрещенной зоне уровни, расположенные далеко от краев запрещенной зоны – «глубокие» уровни. Эти уровни могут быть уровнями как донорного типа, так и акцепторного, но поставщиками носителей заряда они не являются, а выполняют роль ловушек свободных зарядов.