2.3. Примесная проводимость полупроводников

Наличие примесей существенно изменяет проводимость полупроводника. В зависимости от того, атомы какого вещества будут введены в кристалл, можно получить преобладание избыточных электронов или дырок, т.е. получить полупроводник с электронной или дырочной проводимостью. Если в кристалл германия добавить примесь элементов III или IV группы таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примесные полупроводники обладают значительно большей проводимостью по сравнению с полупроводниками с собственной проводимостью.

Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью, называется примесной. Примести, вызывающие в полупроводнике увеличение свободных электронов, называются донорными, а вызывающие увеличение дырок – акцепторными.

При внесении в предварительно очищенный германий примеси пятивалентного элемента (например, мышьяка) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы германия. При этом четыре валентных электрона атома мышьяка, объединившись с четырьмя электронами соседних атомов германия, налаживают тетраэдрическую систему ковалентных связей, пятый валентный электрон оказывается избыточным.

Полупроводники, электропроводность которых повысилась благодаря образованию избытка свободных электронов при введении примеси, называются полупроводниками с электронной проводимостью, или сокращенно полупро-водниками типа n.

Введение в четырехвалентный полупроводник трехвалентного элемента, например индия, приводит, наоборот, к избытку дырок над свободными электронами. В этом случае ковалентные связи не будут полностью завершены и образовавшиеся дырки могут перемещаться по кристаллу, создавая дырочную проводимость.

Полупроводники, электропроводность которых обуславливается в основном движением дырок, называются полупроводниками с дырочной проводимостью или сокращенно полупроводниками типа p.

Электроны, составляющие подавляющее большинство подвижных носителей заряда в полупроводниках n-типа, называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными.

В полупроводниках p-типа, дырки являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.

Для того чтобы примесная проводимость преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси N_д или акцепторной примеси N_А должна превышать концентрацию собственных носителей заряда, равную n_i = p_i. Практически при изготовлении примесных полупроводников величины N_д или N_А всегда во много раз превышают n_i и p_i. Например, для германия в 1000 раз больше концентрации собственных носителей.

2.4. Температурная зависимость проводимости применсных полупроводников.

Рассмотрим зависимость удельной электропроводности примесного полупроводника от температуры. Запишем выражение

Эта формула показывает, что удельная электропроводность полупроводника зависит от типа вещества и от температуры, то есть чем выше температура, тем удельная электропроводность выше, причем эта зависимость носит экспоненциальный характер.

На рис 2.7 приведена зависимость удельной электропроводности полупроводника от температуры (кривая 1). Для большей наглядности по оси абсцисс значения температуры отложены в ˚С. Эта зависимость имеет три характерные области: примесной, смешанной и собственной проводимости.

При относительно низких температурах, когда можно пренебречь тепловой генерацией носителей, удельная электропроводность примесного полупроводника определяется главным образом примесной составляющей удельной электропроводности, т.е. концентрацией и подвижностью основных носителей заряда (участок I на рис 2.7). С увеличением температуры подвижность носителей уменьшается, т.к. возрастает число столкновений носителей с атомами кристаллической решетки (сокращается средняя длина свободного пробега).

В связи с этим удельная электропроводность полупроводника несколько снижается (участок II на рис 2.7).

В области положительных температур наряду с примесной проводимостью все большую роль начинает играть собственная проводимость полупроводника, связанная с генерацией электронов и дырок. Это приводит к тому, что при значительном повышении температуры, несмотря на уменьшение подвижности носителей, электропроводность возрастает по экспоненциальному закону (участок III, кривая 1, рис 2.7). На этом участке экспоненциальный рост удельной электропроводности примесного полупроводника практически совпадает с таким же изменением электропроводности собственного полупроводника (кривая 2 рис 2.7).

Рассмотрение зависимости σ_пр = f(t) показывает, что лишь на участке II электропроводность примесного полупроводника остается относительно стабильной. Именно этот участок стремятся использовать при построении большинства полупроводниковых приборов. На других участках электропроводность меняется весьма существенно, что может привести к нарушению нормального режима работы полупроводниковых устройств.