ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Примесными полупроводниками принято называть полупроводники, электропроводность которых обусловлена носителями заряда, образующимися при ионизации атомов. Если в кремний ввести атом пятивалентного элемента (например, фосфора), то четыре из пяти валентных электронов этого элемента вступят в связь с четырьмя соседними атомами кремния (подобно атомам собственного полупроводника). Пятый е электрон будет в данном случае избыточным. Он оказывается очень слабо связанным со своим атомом, поэтому оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда можно даже оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда можно даже при воздействии малой тепловой энергии.

На энергетической диаграмме, соответствующей рассматриваемому случаю (рис. 1.3), обозначен разрешенный энергетический уровень ε_д, который принес с собой атом фосфора. На этом уровне при очень низкой температуре и будет находиться избыточный электрон фосфора. При незначительном повышении температуры он переходит в зону проводимости и становится свободным. Нейтральный атом фосфора при этом превращается в положительный ион (его заряд обусловлен отсутствием валентного электрона). Количество энергии, необходимое для отделения избыточного электрона и образования иона, называется энергией активации (ионизации) примеси (∆ε_А ≈ 0,1 эВ). Отметим, что ион прочно связан с кристаллической решеткой и не может перемещаться подобно дырке.

Таким образом, появление в кремнии атома фосфора привело к образованию в зоне проводимости свободного электрона. Образование данного электрона не связано с существованием дырки.

 В реальных случаях вводится, конечно, далеко не единственный атом примеси (10¹⁴...10¹⁸ атомов / см³), поэтому и примесных уровней получается довольно много. Примесные уровни образуют примесную зону, которая в рассматриваемом здесь случае будет находиться в запрещенной зоне кремния вблизи зоны проводимости.

Атомы пятивалентной примеси принято называть донорами. Примесные разрешенные уровни, приносимые донорами, называют донорными. Примесные полупроводники, полученные за счет введения доноров, называются электронными, или полупроводниками n-типа. Электропроводность электронных полупроводников определяется свободными электронами, которые здесь являются основными носителями заряда. Дырки в полупроводнике n-типа являются неосновными носителями заряда. Дырок здесь очень мало (n_n ›› р_n), но они все-таки есть (дырки образуются за счет термогенерации подобно собственным носителям в беспримесном полупроводнике).

Итак, за счет введения донорной примеси образуется электронный полупроводник, электропроводность которого определяется электронами, причем число свободных электронов практически равно числу ионизированных доноров.

Рассмотрим теперь дырочный полупроводник или полупроводник р-типа. Такой полупроводник получается за счет введения в него трехвалентных атомов примеси (например, бора). Атомы трехвалентной примеси принято называть акцепторами.

Находясь среди атомов кремния, атом бора образует только три заполненные валентные связи. Четвертая связь оказывается незаполненной, однако она не несет заряда, т. е. атом бора является электрически нейтральным. При воздействии даже небольшой тепловой энергии электрон одной из соседних заполненных валентных связей кремния может перейти в эту связь. Во внешней оболочке атома бора появляется лишний электрон, т. е. атом бора превращается в отрицательный ион. Ионизированная связь атома кремния (из которой электрон перешел к атому бора) несет собой уже положительный заряд, являясь дыркой.

На энергетической диаграмме, соответствующей рассматриваемому здесь случаю (рис. 1.4), обозначен разрешенный энергетический (акцепторный) уровень ε_А, который принес с собой атом бора. Этот уровень будет не заполнен лишь при очень низкой температуре. При небольшом повышении температуры один из электронов валентной зоны переходит на акцепторный уровень, затратив при этом небольшую энергию, равную энергии активации примеси (∆ε_А ›› 0,1эВ). Таким образом, получаются дырка (в валентной зоне) и ионизированный акцептор.

Электропроводность дырочного полупроводника определяется дырками, которые здесь являются основными носителями заряда. Электроны в полупроводнике р-типа являются неосновными носителями и их очень мало (р_р ›› n_p).Итак, за счет введения и активации акцепторной примеси образуется дырочный полупроводник, электропроводность которого определяется дырками, причем число и практически равно числу ионизированных акцепторов. При рассмотрении примесных полупроводников обычно используют понятие «концентрация примеси». Концентрацией называется число зарядов или частиц в единичном объеме (например, в 1 см³). Понятно, что чем больше концентрация доноров Nд, тем больше и концентрация электронов, а чем больше концентрация акцепторов N_А, тем больше концентрация дырок в полупроводнике.

Если оба типа примеси находятся в равном количестве (Nд = N_А) принято называть компенсированным. Компенсированный проводник похож на собственный (n_k = p_k), но имеет ряд интересных свойств и отличий.

Необходимо отметить, что рассмотренные выше процессы являются, вообще говоря, обратимыми. Наряду с переходами электронов с нижних энергетических уровней на более высокие происходят и обратные переходы. Особое внимание обратим на то, что одновременно с генерацией пар «электрон-дырка» происходит и обратный процесс - процесс взаимного уничтожения свободного электрона и дырки, который принято называть рекомбинацией (свободный электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону). При некоторой установившейся температуре полупроводник находится в состоянии термодинамического равновесия. Процесс генерации уравновешивается процессом рекомбинации.

Одним и основных параметров полупроводника является уровень Ферми, вероятность заполнения которого при температуре, отличной от абсолютного нуля, равна 0,5. Энергетический уровень Ферми представляет собой среднюю термодинамическую энергию тела на один электрон. Фундаментальное положение физики указывает, что уровень Ферми одинаков во всех частях равновесной системы, какой бы разнородной она ни была.

Для собственных полупроводников уровень Ферми проходит по середине запрещенной зоны. В электронном полупроводнике в сравнении с собственным имеется большое число электронов в зоне проводимости, т.е. средняя энергия электронов (и всего полупроводника) здесь будет выше. Следовательно, в электронном полупроводнике уровень Ферми должен находиться выше середины запрещенной зоны, причем, чем больше концентрация доноров, тем выше будет располагаться уровень Ферми. Аналогично можно заключить, что в дырочном полупроводнике уровень Ферми должен быть ниже середины запрещенной зоны, причем тем ниже, чем больше концентрация акцепторов.

Необходимо отметить, что помимо рассмотренных здесь примесных полупроводников в электронике находят применение и так называемые вырожденные полупроводники. У таких полупроводников уровень Ферми обычно располагается в разрешенных зонах: в озоне проводимости для электронного и в валентной зоне для дырочного полупроводника. На практике обычно используются вырожденные полупроводники с сильной степенью вырождения (например, в туннельных диодах), получаемые за счет значительного повышения концентрации примеси (10¹⁹ ...10²¹ см ^-3).