Домішкові напівпровідники

Електрична провідність напівпровідників, зумовлена домішками, називається домішковою провідністю, а самі напівпровідники - домішковими напівпровідниками. Електрична провідність напівпровідників дуже чутлива навіть до найменшої кількості домішок, які є в них. Так, домішок в кремній всього 0,001% бору збільшує його провідність при кімнатній температурі приблизно в 1000 разів.

Для вияснення механізму утворення домішкової провідності розглянемо вплив 5‑валентного миш'яку и 3-валентного індію на властивості германія, який є елементом четвертої групи періодичної системи елементів.

Германій має решітку, в якій кожен атом оточують 4 сусідніх атоми, зв'язаних з ним валентними силами (валентними електронами). На рисунку 2 показано плоску ідеалізовану схему кристалічної решітки германія. Насправді кристали германія мають форму тетраедра, в вершинах якого розташовані атоми. Позитивні заряди атомів компенсуються негативними зарядами електронів, і в цілому кристал є електрично нейтральним.

Замінимо частину атомів германія атомами 5-валентного миш'яку (As). Для створення зв'язку з чотирьома найближчими сусідами атом миш'яку затрачує 4 валентних електрона. П'ятий електрон у створенні зв'язків участі не бере. Він продовжує рухатися навколо атома миш'яку. Внаслідок того, що діелектрична проникність германію e=16, сила притягання електрона до ядра зменшується, а розміри його орбіти збільшуються в 16 разів; енергія зв'язку електрона з атомом зменшується в e²=256 разів і стає рівній DЕ_d=0,015 еВ. При передачі електрону такої енергії він відриваєть­ся від атома і одержує здатність вільно переміщуватись у ре­шітці германію, тобто стає електроном провід­ності.

На мові зонної теорії цей процес можна представити так. Між заповненою валентною зоною і зоною провідності чистого германію розташовується вузький енерге­тичний рівень валентних електронів миш'яку (рисунок 3). Цей рівень розташовується біля дна зони провідності на відстані DЕ_d=0,015 еВ. Його нази­вають донорним домішковим рівнем. При передачі електронам домішкового рівня енергії Е > 0,015 еВ (для цього тіло треба "нагріти" до температури 200 К) вони переходять в зону провідності. При цьому на місці атомів домішок утворюються позитивні іони миш'яку, які в електропровідності участі не беруть.

Через те, що енергія збудження електронів домішкових рівнів майже на 2 порядки менше енергії збудження власних елек­тронів германія, то при нагріванні збуджуються в першу чергу електрони домішкових атомів, внаслідок чого їх концен­трація може в багато разів перевищити концентрацію власних електронів. В цих умовах германій буде мати в основному домішкову електронну провідність. Домішки, що є джерелом електронів провідності, називають донорами, а енер­гетичні рівні цих домішок - донорними рівнями.

На рисунку 5 показані енергетичні зони германію, який має домішок індію. Біля верхнього краю заповненої зони на відстані DЕ_а=0,015 еВ розташовані незаповнені енергетичні рів­ні атомів індію. Близькість цих рівнів до заповненої зони приз­водить до того, що вже при порівняно низьких температурах електрони з цієї зони переходять на домішкові рівні. Зв'язуючись з атомами індію, вони втрачають здібність переміщатися в решітці германію і в провідності участі не беруть. Носіями струму є тільки дірки, які виникли в валентній зоні. Тому провідність германію у цьому випадку в ос­новному діркова. Домішки, що захоплюють електрони із валентної зони напівпровідника, називаються акцепторами, а енергетичні рівні цих домішок - акцепторними рівнями.

Таким чином, на відміну від власної провідності, яка здійснюється одночасно електронами і дірками, домішкова провідність обумовлюється в основному носіями одного знаку: електронами у випадку донорної домішки і дірками у випадку акцепторної домішки. Ці носії називають основними. Окрім них напівпровідник містить неосновні носії: електро­н­ний напівпровідник - дірки, дірковий напівпровідник - елек­трони. Концентрація їх значно нижче концен­трації основних носіїв. Тому доля, що вноситься ними в прові­дність напівпровідника, в багато разів менше ніж доля, що вноситься основними носіями.

Поиск по сайту: