Домішкових провідність напівпровідників - студопедія
Провідність напівпровідників, обумовлена домішками, називається примесной провідність, а самі напівпровідники - домішковими напівпровідниками. Домішкових провідність обумовлена домішками (атоми сторонніх елементів), а також дефектами типу надлишкових атомів (в порівнянні з стехиометрическим складом), тепловими (порожні вузли або атоми в междоузлиях) і механічними (тріщини, дислокації і т.д.) дефектами. Наявність в напівпровіднику домішки істотно змінює його провідність. Наприклад, при введенні в кремній приблизно 0,001 ат.% Бору його провідність збільшується приблизно в 10 6 разів.
У напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю більше валентності основних атомів, носіями струму є електрони; виникає електронна домішкових провідність (провідність n-типу). Напівпровідники з такою провідністю називаються електронними (або напівпровідниками n-типу). Домішки, які є джерелом електронів, називаються донорами. а енергетичні рівні затих домішок - донорними рівнями.
Наприклад, при заміщенні атома германію пятивалентного атомом миш'яку (рис. 22, а) один електрон не може утворити ковалентного зв'язку, він виявляється зайвим і може бути легко при теплових коливаннях ґрат отщепляя від атома, т. Е. Стати вільним. Освіта вільного електрона не супроводжується порушенням ковалентного зв'язку; отже, на відміну від випадку, розглянутого раніше, дірка не виникає. Надлишковий позитивний заряд, що виникає поблизу атома домішки, пов'язаний з атомом домішки і тому переміщатися по решітці не може.
З точки зору зонної теорії розглянутий процес можна представити в такий спосіб (рис. 22, б). Введення домішки спотворює поле решітки, що приводить до виникнення в забороненій зоні енергетичного рівня D валентних електронів миш'яку, званого домішковим рівнем. У разі германію з домішкою миш'яку цей рівень розташовується від дна зони провідності на відстані # 916; ЕD = 0,013 еВ. Так як # 916; ЕD У напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю менше валентності основних атомом, носіями струму є дірки; виникає діркова провідність (провідність р-типу). Напівпровідники з такою провідністю називаються дірковими (або напівпровідниками р-типу). Домішки, що захоплюють електрони з валентної зони напівпровідника, називаються акцепторами, а енергетичні рівні цих домішок - акцепторними рівнями. Припустимо, що в решітку кремнію введений домішковий атом з трьома валентними електронами, наприклад бор (рис. 23, а). Для утворення зв'язків з чотирма найближчими сусідами у атома бору не вистачає одного електрона, одна з зв'язків залишається неукомплектовані і четвертий електрон може бути захоплений від сусідньої атома основної речовини, де відповідно утворюється дірка. Послідовне заповнення утворюються дірок електронами еквівалентно руху дірок в напівпровіднику, тобто дірки не залишаються локалізованими, а переміщаються в решітці кремнію як вільні позитивні заряди. Надмірна ж негативний заряд, що виникає поблизу атома домішки, пов'язаний з атомом домішки і по решітці переміщатися не може.
За зонної теорії, введення трехвалентной домішки в грати кремнію призводить до виникнення в забороненій зоні домішкового енергетичного рівні А, що не зайнятий електронами. У разі кремнію з домішкою бору цей рівень розташовується вище верхнього краю валентної зони на відстані # 916; ЕА = 0,08 еВ (рис. 23, 6). Близькість цих рівнів до валентної зоні призводить до того, що вже при порівняно низьких температурах електрони з валентної зони переходять на домішкові рівні і, зв'язуючись з атомами бору, втрачають здатність переміщатися по решітці кремнію, т. Е. В провідності участі не беруть. Носіями струму є лише дірки, що виникають у валентній зоні.
На відміну від власної провідності, що здійснюється одночасно електронами н дірками, домішкових провідність напівпровідників зумовлена в основному носіями одного знака: електронами - у разі донорної домішки, дірками - в разі акцепторной. Ці носії струму називаються основними. Крім основних носіїв в напівпровіднику є і неосновні носії: в напівпровідниках n-типу - дірки, в напівпровідниках р-типу - електрони.
Наявність домішкових рівнів в напівпровідниках істотно змінює положення рівня Фермі ЕF. Розрахунки показують, що в разі напівпровідників n-типу рівень Фермі ЕF при 0 К розташований посередині між дном зони провідності і донорним рівнем (рис. 24, а). З підвищенням температури все більше число електронів переходить з донорних станів у зону провідності, але, крім цього, зростає і число теплових флуктуації, здатних порушувати електрони з валентної зони і перекидати їх через заборонену зону енергій. Тому при високих температурах рівень Ферми має тенденцію зміщуватися вниз (суцільна крива) до свого граничного стану в центрі забороненої зони, характерному для власного напівпровідника.
Рівень Фермі в напівпровідниках р-типу при 0 К розташовується посередині між стелею валентної зони і акцепторні рівнем (рис.24, б). Суцільна крива знову-таки показує його зміщення з температурою. При температурах, при яких домішкові атоми виявляються повністю виснаженими і збільшення концентрації носіїв відбувається за рахунок порушення власних носіїв, рівень Фермі розташовується посередині забороненої зони, як у власному напівпровіднику.
Провідність домішкового напівпровідника, як і провідність будь-якого провідника, визначається концентрацією носіїв і їх рухливістю. Зі зміною температури рухливість носіїв змінюється по порівняно слабкого степеневим законом, а концентрація носіїв - по дуже сильному експоненціальнимзакону, тому залежність провідності домішкових напівпровідників від температури визначається в основному температурної залежністю концентрації носіїв струму в ньому. На рис. 25 дано приблизний графік залежності ln # 947; від 1 / Т для домішкових напівпровідників. Ділянка АВ описує примесную провідність напівпровідника.
Зростання примесной провідності напівпровідника з підвищенням температури обумовлений в основному зростанням концентрації домішкових носіїв. Ділянка ВС відповідає області виснаження домішок (це підтверджують і експерименти), ділянка СD описує власну провідність напівпровідника.
