Домішкові напівпровідники - студопедія

Загальні уявлення. Напівпровідники, в кристалічну решітку яких крім чотирьохвалентного атомів введені атоми домішок з валентністю, відмінною від валентності основних атомів, називаються домішковими напівпровідників. а електрична провідність, створена введеної домішкою, називається примесной провідністю. Для більшості напівпровідникових приладів використовують саме такі домішкові напівпровідники. У них концентрація носіїв заряду, викликаних наявністю домішок, значно більше концентрації власних носіїв заряду. Такі напівпровідники мають досить широку заборонену зону і відчутна концентрація власних носіїв заряду з'являється тільки при порівняно високій температурі.

У робочому інтервалі температур постачальниками вільних носіїв заряду є домішки. При малій концентрації домішок ймовірність безпосереднього переходу електронів від одного примесного атома до іншого мізерно мала. Однак домішки можуть або постачати електрони в зону провідності напівпровідника, або приймати їх з рівнів його валентної зони.

Під примусом в напівпровідникових хімічних сполуках розуміють не тільки включення атомів сторонніх елементів, але і надмірні по стехиометрическому складу атоми тих самих елементів, які входять в хімічну формулу самого з'єднання. Крім того, роль домішок грають всілякі дефекти кристалічної решітки: порожні вузли, атоми або іони, які опинилися в междоузлиях решітки, дислокації або зрушення, що виникають при пластичній деформації кристала, мікротріщини і т. Д. Якщо домішкові атоми знаходяться у вузлах кристалічної решітки, то вони називаються домішками заміщення, якщо в междоузлиях - домішками впровадження.

Донори і акцептори. Якщо валентність домішкових атомів більше валентності основних атомів, наприклад, в кристалічну решітку чотирьохвалентного кремнію Si введені п'ятивалентні атоми миш'яку As, то п'ятий валентний електрон примесного атома виявляється незайнятим в ковалентного зв'язку. Дійсно, атому миш'яку для завершення ковалентних зв'язків з атомами основної речовини необхідні лише чотири валентних електрони (рис.4.5). П'ятий же електрон атома миш'яку в ковалентного зв'язку не бере, він стає зайвим. Зі своїм атомом він пов'язаний силою кулонівського взаємодії. Енергія зв'язку з цим невелика (соті частки електрон-вольта). Оскільки при кімнатній температурі теплова енергія електрона kT = 0,026еВ. то очевидно, що вже при кімнатній температурі відбувається іонізація домішкових атомів миш'яку т. е. п'ятий електрон легко відривається від атома, стаючи вільним (рис.4.5).

Після втрати електрона домішковий атом стає іонізованим і набуває позитивний заряд. Такий напівпровідник з пятивалентной домішкою називають електронним або напівпровідником типу n (від латинського negative - негативний), а домішкові атоми, що віддають електрони, називають донорами.

На енергетичної діаграмі наявність домішки в кристалічній решітці напівпровідника характеризується появою локального енергетичного рівня, що лежить в забороненій зоні. Так як при іонізації атома миш'яку утворюється незайнятий в ковалентного зв'язку електрон і для його відриву від атома потрібно значно менше енергії, ніж для розриву ковалентних зв'язків атомів кремнію, то енергетичний рівень донорної домішки повинен розташовуватися в забороненій зоні на невеликій відстані від нижнього краю вільної зони ( від 'дна' зони провідності) (рис.4.6).

Рис.4.6. Енергетична діаграма n -полупроводніка.

Оскільки на один домішковий атом в n-напівпровіднику доводиться 10 6 -10 7 атомів основної речовини і відстань між ними велике, то вони практично не впливають один на одного. Тому домішкові рівні не розщеплюються і на енергетичній діаграмі вони зображуються як один рівень, на якому знаходяться "зайві" валентні електрони, які беруть у ковалентних зв'язках. Енергетичний інтервал називають енергією іонізації донорів. Для кремнію = 0,05еВ, для германію = 0,01еВ, тому при кімнатній температурі практично всі донори іонізовані.

Поряд з іонізацією домішки в електронному напівпровіднику відбувається і теплова генерація, в результаті якої утворюється пара носіїв - електрон і дірка. Однак кількість їх при робочій температурі набагато менше, ніж кількість електронів, які дає донорная домішка. Пояснюється це тим, що по-перше, енергія, рівна ширині забороненої зони, набагато більше, ніж енергія іонізації донорів. По-друге, електрони донорних атомів займають в зоні провідності нижні енергетичні рівні і електрони, що знаходяться в валентної зоні, можуть в результаті розриву ковалентних зв'язків перейти тільки на більш високі рівні зони провідності. Для такого переходу електрон повинен мати більш високою енергією, ніж у власному напівпровіднику. Тому в електронному напівпровіднику концентрація дірок набагато менше концентрації електронів. З цієї причини в напівпровіднику n-типу електрони називають основними носіями заряду, а дірки -неосновнимі.

Якщо в кристалічну решітку кремнію введені атоми трехвалентной домішки, наприклад, атоми алюмінію Al, то одна з ковалентних зв'язків виявляється незавершеною (рис.4.7). При незначному тепловій дії електрон однієї з сусідньої зв'язків може перейти в незаповнений зв'язок, а на тому місці, звідки прийшов електрон, виникає дірка. Ця дірка переміщається зі зв'язків основної речовини і, отже, бере участь в провідності напівпровідника. При цьому домішковий атом алюмінію набуває негативний заряд. Такий напівпровідник, захоплюючий електрони, називають дірковим, або напівпровідником типу p (від латинського positive - позитивний), а домішкові атоми називають акцепторами.

Рис.4.7. Плоска модель кристалічної решітки кремнію з домішкою алюмінію.

Для освіти вільної дірки за рахунок переходу електрона від атома основного речовини до атому домішки потрібно значно менше енергії, ніж для розриву ковалентних зв'язків кремнію. Тому кількість дірок може бути значно більше, ніж кількість вільних електронів і провідність напівпровідника буде доречний. В такому напівпровіднику основними носіями заряду є дірки, а неосновними - електрони. Електрони, "занедбані" на домішкові рівні не беруть участі в електричному струмі.

На енергетичної діаграмі p-напівпровідника (ріс4..8) в забороненій зоні з'являється домішковий рівень, розташований на невеликій відстані від верхнього краю заповненої зони (над "стелею" валентної зони). Домішковий рівень заповнюється електронами, що переходять на нього з валентної зони, так як для такого переходу потрібно незначна енергія (0,01-0,1еВ). Тому в p-напівпровіднику встановлюється висока концентрація дірок. При кімнатній температурі практично всі акцептори іонізовані, тому концентрація дірок приблизно дорівнює концентрації акцепторів.

Рис.4.8. Енергетична діаграма s -полупроводніка.

У дірковому полупроводнике, так само як і в електронному, відбувається теплова генерація, в результаті якої утворюється пара носіїв заряду: електрон, що переходить у вільну зону і дірка, що залишається в валентної зоні. Однак кількість які виникають пар невелика. Пояснюється це тими ж причинами, що і в електронному напівпровіднику. На рівні акцептора переходять електрони з енергетичних рівнів, розташованих поблизу стелі валентної зони. Перехід же електронів з валентної зони в зону провідності з розривом ковалентного зв'язку здійснюють електрони, розташовані на нижчих рівнях валентної зони, для чого необхідно затратити вищу енергію, ніж у власному напівпровіднику. Тому концентрація дірок виявляється набагато більше концентрації електронів.

Отже, атоми домішок створюють в забороненій зоні напівпровідника додаткові домішкові енергетичні рівні. Ці домішки можуть або постачати електрони в зону провідності напівпровідника, або приймати їх з рівнів його валентної зони. Домішкова електропровідність вимагає для своєї появи набагато меншою енергії (соті і десяті частки електрон-вольта), ніж для появи власної електропровідності. Тому примесная електропровідність виявляється при більш низькій температурі, ніж власна електропровідність напівпровідника. Чим більше ширина забороненої зони, тим при більшій температурі проявляється власна електропровідність.

У напівпровідникових приладах як правило, використовують саме примесную електропровідність. Поява великої кількості неосновних носіїв заряду порушує нормальну роботу напівпровідникових приладів. Тому робоча температура напівпровідника встановлюється такий, щоб теплова генерація неосновних носіїв заряду не впливала на роботу напівпровідникового приладу. У германію ширина забороненої зони дорівнює 0,72еВ, а у кремнію 1,12еВ. Тому допустима робоча температура у германієвих приладів становить +70 о С, а у кремнієвих в залежності від ступеня очищення матеріалу від 120 до 200 о С.

Зауважимо, що в напівпровіднику можуть одночасно міститися донорні і акцепторні домішки Такі напівпровідники називаються компенсованими.