Домішкова електропровідність 1
Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Якщо в напівпровіднику є домішки інших речовин, то додаткового-кові до власної електропровід-ності з'являється ще примесная електро-провідність, яка в залежності від роду домішки може бути електронною або доречний. Наприклад, германій, будучи чотирьохвалентним, володіє при-месной електронної електропровід-ністю, якщо до нього додані п'яти-валентні сурма (Sb), або миш'як (As), або фосфор (Р). Їх атоми взаємо-діють з атомами германію тільки чотирма своїми електронами, а п'ятий електрон вони віддають в зону проводь-мости. В результаті додається неко-лось число електронів провідності. Домішки. атоми яких віддають елект-ку, називають донорами ( «донор» озна-чає «дає, жертвує»). Атоми донорів, втрачаючи електрони, самі зоря жаются позитивно. На рис. 1.8 по-казано за допомогою площинний схеми будови напівпровідника, як атом до ^ норной домішки (пятивалентной сурми), що знаходиться в оточенні атомів германію, віддає один електрон в зону провідності.
Напівпровідники з переважанням електронної електропровідності називаються вають електронними напівпровідниками або напівпровідниками п-типу. Зонна діаграма такого напівпровідника поки-зана на рис. 1.9. Енергетичні рівні атомів донора розташовані тільки не-багато нижче зони провідності основ-ного напівпровідника. Тому з каждо-го атома донора один електрон легко переходить в зону провідності, і таким чином в цій зоні з'являється додат-ково число електронів, яка дорівнює кількості атомів донора. У самих атомах донора при цьому дірки не утворюються.
Якщо ж чотиривалентний герма-ний містить домішки тривалентних бору (В), або індію (In), або алюмінідів (А1), то їх атоми забирають електрони від атомів германію і в останніх утворюються дірки. Речовини, що відбирають електрони і створюють примесную дірковий електропровідність, на-викликають акцепторами ( «акцептор» озна-чає «приймає»). Атоми акцептора, захоплюючи електрони, самі заряджаються негативно. Мал. 1.10 показує схематично, як атом акцепторної при-домішки, розташований серед атомів германію, захоплює електрон від сусіднього-го атома германію, в якому при цьому створюється дірка.
Мал. 1.10. Виникнення примесной доречний електропровідності
Напівпровідники з переважанням діркової електропровідності називають дірковими напівпровідниками або напівпровідниками р-типу (рис. 1.11). Енергетичні рівні акцепторних атомів розташовуються лише трохи вище валентної зони. На ці рівні легко переходять електрони з валентної зони, в якій при цьому виникають дірки.
У напівпровідникових приладах використовуються головним чином напівпровідники, що містять донорні або акцепторні домішки і звані домішковими. При звичайних робочих температурах в таких напівпровідниках все атоми домішки беруть участь в створенні примесной електропровідності, т. Е. Кожен атом домішки або віддає, або захоплює один електрон.
Щоб примесная електропровідність переважала над власною, концентрація атомів донорної домішки N д чи акцепторної домішки Nа повинна перевищувати концентрацію власних носіїв заряду. Практично при виготовленні домішкових напівпровідників значення N д або Nа завжди в багато разів більше, ніж ni або pi. Наприклад, для германію, у якого при кімнатній температурі пг = pt = 10 13 см
3. концентрації NA і Na можуть бути дорівнюють 10 15 -10 18 см
3 кожна, тобто в 10 2 -10 5 разів більше концентрації власних носіїв. Надалі все числові приклади ми будемо при-водити для германію при кімнатній температурі.
Носії заряду, концентрація яких в даному напівпровіднику переважає, називаються основними. Ними є електрони в напівпровіднику n-типа і дірки в напівпровіднику р-типу. Неосновними називаються носії заряду, концентрація яких менше, ніж концентрація основних носіїв. Якщо то можна знехтувати концентрацією власних носіїв, "т. Е. Електронів, і тоді. Наприклад, для германію n-типу може бути. Ясно, що в порівнянні з цим значенням концентрацію власних носіїв Пi = 10 13 см-3 враховувати не потрібно, так як вона в 1000 разів менше.
Концентрація неосновних носіїв в домішковому полупроводнике зменшується у стільки разів, у скільки збільшується концентрація основних носіїв. Таким чином, якщо в германии i-типу ni = pi = 10 13 см 3. а після додавання донорної домішки концентрація електронів зросла в 1000 разів і стала пп = 10 16 см-3 то концентрація неосновних носіїв (дірок) зменшиться в 1000 разів і стане рn = 10 10 см-3 т. е. буде в мільйон разів менше концентрації основних носи-телей. Це пояснюється тим, що при збільшенні в 1000 разів концентрації електронів провідності, отриманих від донорних атомів, нижні енер-тичні рівні зони провідності виявляються зайнятими і перехід електронів з валентної зони можливий тільки на більш високі рівні зони провідності. Але для такого переходу електрони повинні мати велику енер-гію, ніж у власному полупровод-ніку, і тому значно менше число електронів може його здійснювала-вити. Відповідно до цього значно зменшується число дірок провідності в валентної зоні. Виявляється, що завжди для примесного напівпровідника п-типу справедливо співвідношення:
У нашому прикладі вийшло: 10 16 -10 10 = (10 13) 2 = 10 26.
Сказане про полупроводнике п-типу відноситься також і до напівпровідника р-типу. У ньому і можна вважати, що. Наприклад, для германію р-типу може бути рр = 10 16 і ін = 10 10 см
3. Для напівпровідника р-типу також завжди справедливо соот-носіння:
Розглянуті приклади наочно показують, що мізерно мала кількість домішки істотно змінює характер електропровідності і провідність напівпровідника. Дійсно, концентрація домішки 10 16 см -3 при числі атомів германію 4,4 * 10 22 ст 1 см 3 означає, що додається всього лише один атом домішки на чотири з гаком мільйони атомів германію, т. Е. Домішка становить менше 10 4 %. Але в результаті цього концентрація основних носіїв зростає в 1000 разів і відповідно збільшується провідність.
Отримання напівпровідників з таким малим і строго дозованим содер-жанием потрібної домішки є досить складним процесом. При цьому вихідний напівпровідник, до якого додається домішка, повинен бути дуже чистим. Для германію сторонні домішки допускаються в кількості не більше 10 8%, тобто не більше одного атома на 10 мільярдів атомів гер-манія. А для кремнію сторонніх домішок допускається ще менше: вони не повинні перевищувати 10- 11%.
Питома провідність домішкових напівпровідників визначається так само, як і для власних напівпровідників. Якщо знехтувати провідність за рахунок неосновних носіїв, то для напівпровідників «-типу і р-типу можна відповідно написати
Розглянемо проходження струму через напівпровідники з різним типом електропровідності, причому для спрощення будемо нехтувати струмом неосновних носіїв. На рис. 1.12, як і раніше, дірки зображені світлими, а електрони - темними кружками. Знаки «плюс» чи «мінус» позначають відповідно заряджені атоми кристалічної решітки. Під дією ЕРС джерела в проводах, що з'єднують напівпровідник n-типу з джерелом, і в самому напівпровіднику рухаються електрони провідності.
Мал. 1.12. Струм в напівпровідниках з електронної (а) і доречний (б (б) електропровідністю
У сполучних проводах напівпровідника р-типу, як і раніше рухаються електрони, а в самому напівпровіднику ток слід розглядати як переміщення дірок. Електрони з негативного полюса надходять в напівпровідник і заповнюють прийшли сюди дірки. До позитивного полю-су приходять електрони із сусідніх частин напівпровідника, і в цих частинах утворюються дірки, які переме частішають від правого краю до лівого.
В електротехніці прийнято умовний напрямок струму від плюса до мінуса. При вивченні електронних приладів зазвичай зручніше розглядати дійсний напрям руху електронів - від мінуса до плюса. Ми будемо показувати, як і вище, цей напрямок стрілкою з жирною крапкою на початку, а умовний напрямок струму - стрілкою без точки.