3. Примесная проводимость пп. Пп n и p типа.

Различают вредные и полезные примеси. Они остаются в полупроводнике после очистки, так как в настоящее время невозможно получить идеально чистый полупроводник. Полезные примеси вводят преднамеренно для придания полупроводнику нужных свойств. Проводимость, обусловленную наличием примеси в полупроводнике, называют примесной проводимостью.

В зависимости от свойства примеси возможна примесная проводимость двух типов: электронная и дырочная.

Электронная проводимость. Полупроводник n-типа

Если в чистый кристаллический Ge добавить ничтожную долю атомов 5-валентного элемента, например сурьмы Sb , то атомы Sb замещают в узлах кристаллической решетки атомы Ge. Четыре валентных электрона Sb заменяют в ковалентных связях электроны Ge и будут прочно связаны с атомом. Пятый электрон Sb не участвует в ковалентных связях и оказывается слабо связанным с ядром Sb. Энергия связи пятого электрона с ядром, называемая энергией активации, во много раз меньше энергии ковалентной связи и составляет всего 0,01 эВ. Концентрация примеси должна быть настолько малой, чтобы энергетического взаимодействия между атомами примеси не было

При нагревании кристалла слабо связанные электроны легко отрываются от атомов Sb и становятся свободные. На месте атома Sb остается положительный ион + Sb, но он не является дыркой, так как сам он передвигаться не может и отбирать электроны из ковалентных связей он тоже не может (все ковалентные связи заполнены). На энергетической диаграмме электроны с уровня примеси "забрасываются" в зону проводимости и на месте атомов Sb остаются положительные атомы, отмеченные кружком со знаком "+" внутри. Дырок в валентной зоне при этом не образуется. Таким образом, атом 5-валентной примеси дает один свободный электрон и не дает при этом дырки. Такую примесь называют донорной примесью (т.е. отдающей электрон), или просто донором. Проводимость, обусловленную электронами, называют электронной проводимостью, а полупроводник с электронной проводимостью – полупроводником n-типа. Поскольку энергия активации доноров ∆W_А мала, то уже при комнатной температуре (300 К) все слабо связанные электроны стали свободными. Величина проводимости целиком определяется концентрацией примеси донора N_g и в некотором диапазоне температур остается постоянной. В этом и заключается основное свойство примеси.

Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями и обозначают n_n, а дырки именуют неосновными носителями и обозначают p_n При этом концентрация электронов n_n определяется концентрациями донорных электронов n_g и собственных электронов n_i: , где n_g = N_g.

При комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, а концентрация доноров намного превышает концентрацию собственных носителей (N_g » n_i ).

Концентрация же дырок р_n в полупроводнике n-типа ничтожна (р_n « р_i), поскольку вероятность рекомбинации дырки с электроном резко возрастает при большой концентрации электронов n_n, это приводит к резкому уменьшению времени жизни дырок _p в полупроводнике п-типа. Поскольку скорость исчезновения дырок и электронов одинакова, то время жизни электронов _n при этом резко увеличивается.

Дырочная проводимость. Полупроводник p-типа.

При добавлении в чистый кристаллический германий 3-валентных элементов, например индия In (бора, алюминия и др.), атомы In заполняют только три ковалентные связи из четырех. Одна ковалентная связь остается незаполненной. В эту незаполненную ковалентную связь могут легко переходить электроны из соседних ковалентных связей. Необходимая для этого энергия, тоже называемая энергией активации, составляет около 0,01 эВ.

При температуре абсолютного нуля (Т=0K) полупроводник - изолятор(рис.1.5,а). Разрешенный незаполненный энергетический уровень In с валентными электронами находится в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны (элементы, не имеющие энергетического незаполненного уровня в этом месте, не могут быть акцепторами). Концентрация должна быть настолько мала, чтобы атомы In не взаимодействовали и энергетический уровень примеси не расщеплялся.

При нагревании электроны из ковалентных связей германия могут перескакивать в незаполненные ковалентные связи примеси In . На месте перескочившего электрона образуется дырка. На энергетической диаграмме перескакивание электронов из ковалентных связей германия в незаполненные ковалентные связи примеси In соответствует переход электронов из валентной зоны на уровень примеси In. Образовавшиеся отрицательные ионы примеси обозначены кружками со знаком " - " внутри на примесном (акцепторном) уровне. На месте ушедших электронов в валентной зоне остались дырки, отмеченные пунктирными уровнями. Таким образом, атом 3-валентной примеси обусловливает появление одной дырки и не дает при этом свободного электрона.

Такую примесь называют акцепторной примесью или просто акцептором. Проводимость, обусловленную дырками, именуют дырочной проводимостью, а полупроводник с дырочной проводимостью – полупроводником р-типа. Поскольку энергия активации ∆W_A мала, то уже при комнатной температуре (Т=300К) все атомы акцепторной примеси оказываются ионизированными. С введением в германий акцепторной примеси проводимость германия становится дырочной, величина проводимости целиком определяется концентрацией примеси акцептора Na и в некотором интервале температур остается неизменной.

Дырки в полупроводнике р-типа называют основными носителями (концентрацию их обозначают p_p), электроны - неосновными (n_р).

При этом концентрация дырок р_p определяется концентрациями акцепторных p_a и собственных p_{i p} дырок: .

При комнатной температуре все атомы акцептора ионизированы (p_a=N_a), а концентрация акцепторов намного превышает концентрацию собственных носителей (N_a » p_i).

Концентрация же электронов n_p в полупроводнике р-типа ничтожна (n_p « n_i), поскольку вероятность рекомбинации резко возрастает при большой концентрации дырок p_р и равновесие тепловой генерации и рекомбинации устанавливается при меньшей концентрации n_р. В свою очередь, это приводит к резкому уменьшению времени жизни электронов _n и к увеличению времени жизни дырок _p в полупроводнике р-типа.