ФИЗИКА

7.21. Примесные полупроводники

Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат примесные атомы, создающие свои собственные энергетические уровни, получившие название примесных уровней. Можно ввести примеси сознательно для придания полупроводнику необходимых свойств. Различают два типа примесных уровней – донорные и акцепторные.

Донорные уровни. Предположим, что в кристалле германия часть атомов германия замещена атомами мышьяка. Германий имеет решётку типа алмаза, в которой каждый атом окружён четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним ковалентными связями (рис. 7.21.30а).

Для установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует четыре валентных электрона; пятый электрон в образовании связи не участвует. Он продолжает двигаться в поле атома мышьяка, ослабленного в германии в ε = 16 раз (ε - диэлектрическая проницаемость германия). Вследствие ослабления поля радиус орбиты электрона увеличивается в 16 раз, а энергия связи его с атомом мышьяка уменьшается примерно в ε2 ≈ 256 раз, становясь равной EД = 0,01 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решётке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости.

На языке зонной теории этот процесс можно представить так. Между заполненной валентной зоной и свободной зоной проводимости располагаются энергетические уровни пятого электрона мышьяка (рис. 7.21.30б). Эти уровни размещаются непосредственно у дна зоны проводимости, отстоя от неё на расстоянии EД = 0,01 эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней энергии EД они переходят в зону проводимости. Образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.

Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей – донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называют электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа.

Акцепторные уровни. Предположим теперь, что в решётке германия часть атомов заменена атомами трёхвалентного индия (рис. 7.21.31б).

Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заимствовать» у атома германия. Расчёт показывает, что для этого требуется энергия порядка Еа = 0,01 эВ. Разорванная связь представляет собой дырку (рис. 7.21.31г), так как она отвечает образованию в валентной зоне германия вакантного состояния.

На языке зонной теории, непосредственно у вершины валентной зоны на расстоянии Еа = 0,01 эВ располагаются незаполненные уровни атомов индия. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при относительно невысоких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни (рис. 7.21.31г). Связываясь с атомами индия они теряют способность перемещаться в решётке и в проводимости не участвуют. Носителями заряда являются лишь дырки, образующиеся в валентной зоне.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называют акцепторными, а энергетические уровни этих примесей – акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие такие примеси, называются дырочными полупроводниками, или полупроводниками р-типа.

к к к