Електропровідність домішкових напівпровідників
Хімічно чисті напівпровідники використовують в напівпровідниковій техніці в основному в якості вихідного матеріалу, на базі якого отримують домішкові напівпровідники. За рахунок введення домішки можна значно поліпшити електропровідність напівпровідника, створивши в ньому істотне переважання одного будь-якого типу рухомих носіїв заряду - дірок або електронів. Залежно від валентності атомів домішки отримують напівпровідники з переважанням або електронною, або доречний електропровідності. Поєднання областей з різним типом електропровідності дозволяє надати напівпровідникових приладів різні властивості. Домішка вводиться в дуже малій кількості: один атом домішки на 10 6 - 10 8 атомів вихідного напівпровідника. При цьому атомна кристалічна решітка не порушується.
При введенні в чотиривалентний напівпровідник, наприклад кристал кремнію або германію, домішки пятивалентного хімічного елемента (миш'яку, сурми, фосфору) атоми домішки заміщають атоми вихідної речовини в деяких вузлах кристалічної решітки (рис. 1.6, а). Чотири валентних електрона атома домішки створюють ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами вихідного напівпровідника, а п'ятий електрон, не зайнятий у зв'язку, виявляється надлишковим і легко відривається від атома. На його відрив потрібно затратити значно меншу енергію, ніж на розрив ковалентного зв'язку, так що вже при кімнатній температурі надлишкові електрони атомів домішки стають вільними.
Атом домішки, що втратив один електрон, перетворюється в нерухомий позитивний іон, пов'язаний в вузлі кристалічної решітки, тобто відбувається іонізація атомів домішки. Позитивний заряд іона домішки компенсується негативним зарядом вільного електрона, і шар напівпровідника з домішкою залишається електрично нейтральним, якщо вільний електрон не йде з цього шару. У разі відходу електрона в інші шари напівпровідникового кристала нерухомі заряди іонів домішки утворюють нескомпенсований позитивний об'ємний заряд.
Домішка, атоми якої віддають електрони, називають донорной. При введенні донорної домішки концентрація електронів в кристалі різко зростає. Вона визначається в основному концентрацією атомів домішки. Одночасно відбувається генерація пар «електрон - дірка», але кількість електронів, що виникають при цьому, значно менше, ніж кількість електронів, що віддаються донорами. Тому концентрація електронів стає значно вище концентрації дірок:
Електричний струм в такому напівпровіднику створюється в основному електронами, тобто переважає електронна складова струму. Напівпровідник, що володіє переважно електронною електропровідністю, називають напівпровідником n-типу. В такому напівпровіднику електрони є основними носіями заряду, а дірки - неосновними носіями заряду.
Рис.1.6. Поява вільного електрона при введенні донорної домішки (а) і енергетична діаграма напівпровідника n-типу (б)
На енергетичної діаграмі напівпровідника n-типу (рис. 1.6, б) введення донорної домішки відбивається появою в забороненій зоні поблизу зони провідності близько один від одного розташованих локальних рівнів енергії, зайнятих надлишковими валентними електронами атомів донорів при температурі абсолютного нуля. Число цих локальних рівнів енергії дорівнює кількості атомів домішки в кристалі. На малюнку ці рівні показані штрихами.
Ширина зони? Wд дорівнює різниці між енергією нижнього рівня зони провідності і локального валентного рівня донора в забороненій зоні. Вона дуже мала і становить 0,01 - 0,07 еВ в залежності від обраного напівпровідника і матеріалу домішки. Цим пояснюється те, що при кімнатній температурі майже всі електрони з локальних донорних рівнів переходять в зону провідності і можуть брати участь у створенні електричного струму.
При введенні в кристал кремнію або германію домішки тривалентного хімічного елемента (наприклад, індію, алюмінію, бору або галію) атом домішки, увійшовши в вузол кристалічної решітки, утворює своїми трьома валентними електронами тільки три ковалентні зв'язки з сусідніми атомами чотирьохвалентного напівпровідника (рис. 1.7, а). Для четвертої зв'язку у нього не вистачає одного електрона; вона виявляється незаповненою, тобто створюється дірка. Для заповнення цієї зв'язку атом домішки може захопити електрон з ковалёнтной зв'язку сусіднього атома, так як необхідна для переходу електрона енергія в цьому випадку невелика. В результаті приєднання зайвого валентного електрона атом домішки перетворюється в нерухомий негативний іон, а в сусідній ковалентного зв'язку, звідки цей електрон пішов, з'являється дірка.
Позитивний заряд дірки компенсує негативний заряд іона домішки, і шар кристала залишається електрично нейтральним. У разі приходу в даний шар електрона з іншого шару і рекомбінації його з діркою нерухомі заряди іонів домішки створюють нескомпенсований негативний об'ємний заряд.
Домішка, атоми якої захоплюють електрони сусідніх атомів, називають акцепторной. Введення акцепторной домішки призводить до утворення надлишкового числа дірок, концентрація яких значно перевищує концентрацію електронів, що виникають внаслідок руйнування ковалентних зв'язків напівпровідника:
Мал. 1.7. Поява дірки при введенні акцепторной домішки (а) і енергетичн-ська діаграма напівпровідника р-типу (б)
В електричному струмі, що виникає в такому напівпровіднику, переважає діркова складова. Напівпровідник з переважанням діркової електропровідності називають напівпровідником р-типу. В такому напівпровіднику дірки є основними носіями заряду, а електрони - неосновними носіями заряду.
Енергетична діаграма напівпровідника р-типу представлена на рис. 1.7, б. Локальні рівні енергії атомів акцепторної домішки (показані штрихами) розташовані в забороненій зоні поблизу валентної зони вихідного напівпровідника. Всі ці рівні вільні при температурі абсолютного нуля, а число їх відповідає кількості атомів домішки в кристалі. Величина енергії? Wд дорівнює різниці між енергією акцепторного рівня і верхнього рівня валентної зони. Вона, як і величина? Wд для напівпровідників n-типу, мала і становить 0,01 - 0,07 еВ в залежності від матеріалу вихідного напівпровідника і домішки. Тому при кімнатній температурі всі акцепторні рівні енергії виявляються зайнятими електронами, які переходять на них з валентної зони. В результаті у валентній зоні з'являється велика кількість вакантних рівнів - дірок.
Таким чином, в домішкових напівпровідниках основні носії заряду з'являються головним чином за рахунок атомів домішки, а неосновні - за рахунок руйнування ковалентних зв'язків і викликаної цим генерації пар носіїв заряду. Концентрація основних носіїв заряду перевищує на два-три порядки концентрацію неосновних носіїв. При цьому питома електрична провідність домішкового напівпровідника перевищує питому провідність власного напівпровідника в сотні тисяч разів.
Крім кремнію і германію в якості вихідних напівпровідникових матеріалів в промисловості застосовують арсенід галію, селен, оксиди, карбіди та інші хімічні сполуки елементів III і V груп, а також II і VI груп періодичної системи Менделєєва.
Схожі записи:-
None Found