Примесная электропроводность полупроводников
Учебные материалы


Примесная электропроводность полупроводников



Карта сайта expertsgreat.com ^

6.2. Примесная электропроводность полупроводников. Доноры и акцепторы


Характерной чертой полупроводников является их сильная чувствительность к примесям. Если в структуру идеального полупроводника ввести атом, относящийся к пятой группе периодической системы элементов, например сурьму или мышьяк, то четыре его электрона займут места в связях с соседними атомами полупроводника, а пятый - окажется как бы лишним.
Такой избыточный электрон оказывается связанным со своим атомом значительно слабее. Для того чтобы оторвать его от атома и превратить в носитель заряда требуется значительно меньшее количество энергии, чем для высвобождения электрона из ковалентной связи. В зонной модели это означает, что для того, чтобы перевести такой электрон в зону проводимости, необходима меньшая энергия, чем та которая определяется шириной запрещенной зоны. Это, в свою очередь, означает, что уровни энергии на которых будут находиться такие электроны, должны располагаться в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости, рис.10.
При очень низких температурах избыточные электроны находятся на этих уровнях, но уже при незначительном повышении температуры получают достаточное для перехода в зону проводимости, количество энергии.
Рис.10. Структура энергетических зон донорного полупроводника
Количество энергии необходимое для переброса такого электрона в зону проводимости называется энергией активации примеси. Уход электрона от атома примеси превращает его в положительный ион, однако он прочно связан оставшимися связями с кристаллической решеткой и не будет перемещаться подобно дырке.
Таким образом, появление в кристаллической решетке полупроводника примесного атома пятой группы приводит к появлению в зоне проводимости свободного электрона, который, при своем появлении в зоне проводимости, не оставляет вакансии в валентной зоне. Его существование не связано с одновременным существованием дырки.
Увеличивая содержание атомов примеси, можно, тем самым, увеличивать содержание свободных электронов в полупроводнике, не увеличивая при этом содержание дырок. Присутствие примесей может изменять электропроводность полупроводника в десятки и сотни тысяч раз.
Например, если в германий ввести ^ 0,001% мышьяка, его электропроводность возрастет в 10000 раз. При этом доля собственной проводимости становится настолько ничтожной, что ею можно практически пренебречь и считать проводимость чисто примесной.
Если концентрация электронов существенно превысит концентрацию дырок, то можно считать, что в данном кристалле ток в основном переносится электронами. Другими словами, электроны в этом случае будут основными носителями заряда, а дырки - неосновными.

^ Примеси, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются донорными примесями, или просто донорами.

Если в кристаллическую решетку полупроводника ввести атом элемента третьей группы, например индий, который на внешней энергетическом уровне имеет три электрона - 5s2 и 5p1, то в кристаллической решетке кремния или германия атом индия образует только три заполненные ковалентные связи, а четвертая связь останется незаполненной.
При небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних связей может перейти в эту дефектную связь. Во внешнем энергетическом уровне индия появится лишний электрон, и атом индия превратится в отрицательный ион. Нарушится нейтральность и той связи, с которой электрон перешел в дефектную связь индия. В этой связи появится положительный заряд-дырка. Увеличивая концентрацию индия, можно повысить концентрацию дырок. При достаточно высокой концентрации примесей элементов третьей группы дырки станут основными носителями, а электроны неосновными.
Рис.11. Структура энергетических зон акцепторного полупроводника
Так как переход электронов из валентных связей к атому индия требует энергий несравненно меньших, чем ширина запрещенной зоны, то это означает, что уровни энергии на которые переходят эти электроны, должны располагаться в запрещенной зоне, вблизи потолка валентной зоны, рис.11.
При низких температурах эти уровни остаются свободными. При небольшом повышении температуры один из валентных электронов покидает валентную зону и занимает уровень примеси, оставляя после себя в валентной зоне дырку.
Энергия, которую необходимо сообщить валентному электрону, для того чтобы перевести его из валентной зоны на примесной уровень, также называется энергией активации примесей.

^ Примеси, способные принимать на свои энергетические уровни валентные электроны, называются акцепторными примесями, или просто акцепторами.

В заключение следует отметить, что все рассмотренные процессы обратимы, и наряду с переходом электронов с нижних уровней на более высокие происходят и обратные переходы. Электроны при этом теряют энергию, отдавая ее кристаллической решетке или излучая. Особое внимание следует обратить на то, что одновременно с генерацией пар "электрон-дырка" происходит и обратный процесс восстановления порушенных связей. Свободный электрон при этом возвращается в нарушенную связь, а пара "электрон-дырка" исчезают. Этот процесс носит название рекомбинации.


edu 2018 год. Все права принадлежат их авторам! Главная