Примесная проводимость

Большое влияние на проводимость веществ оказывают примеси и дефекты кристаллической решётки. В полупроводниках и диэлектриках чужеродные атомы и группы атомов, пустые узлы решётки, границы микрокристалликов приводят к повышению концентрации носителей тока, которые обеспечивают примесную проводимость.

Если в кристаллической решётке четырехвалентного полупроводника некоторые атомы замещены атомами пятивалентной

примеси (например, примесь фосфора Р в решётке германия Ge (рис. 7), то возникают дополнительные свободные электроны.

Четыре валентных электрона Ge образуют сильную ковалентную связь с атомом фосфора. Пятый электрон внешней оболочки фосфора слабее связан с ядром, и достаточно небольшой энергии, чтобы оторвать его от атома.

Эта энергия называется энергией активации примеси. Для данного примера она составляет всего 0, 05 эВ. Атом получает её за счёт тепловых колебаний. Атом фосфора становится положительным ионом. Концентрация свободных электронов увеличивается, поэтому примесь называется донорной. Электроны являются основными носителями тока. Поэтому проводимость называется электронной, n-типа. Концентрация дырок увеличивается незначительно, так как для захвата электрона ионом фосфора, при котором в другом месте образуется дырка, необходима энергия, сравнимая с шириной запрещённой зоны.

Энергетическая схема электронного полупроводника (рис. 8 а) отличается наличием в запрещённой зоне дополнительного уровня вблизи дна свободной зоны ( донорный уровень ).

Рис. 8

Концентрацию дополнительных электронов можно вычислить с помощью формулы (3), если заменить в ней ширину

запрещённой зоны на энергию активации донора . Концентрация примесных электронов изменяется лишь при низких температурах. Даже при комнатной температуре практически все примесные атомы ионизированы (примесные уровни истощены), так что концентрация свободных дополнительных электронов того же порядка, что и концентрация атомов примеси.

На рис. 9 приведена зависимость примесного полупроводника от обратной температуры. Область I соответствует примесной проводимости полупроводника, область II – область истощения примеси, область III соответствует собственной проводимости полупроводника.

В химически чистом веществе всегда имеется некоторое количество примесей ~ 10^–3 % (или, примерно, один атом на 10⁵ атомов вещества). Концентрация атомов примеси, а, следовательно, и электронов проводимости составляет ~ 10²⁰ м^–3, что в 10⁷ раз больше концентрации электронов, обеспечивающих собственную проводимость.

Таким образом, даже в химически чистом кристалле проводимость в основном определяется примесями. Но и при большом количестве примесей полупроводник имеет значительно меньшую электропроводимость, чем металл. Электрические качества полупроводника определяются характером зависимости их проводимости от различных внешних факторов.

Если атом основы в кристаллической решётке замещён атомом примеси с валентностью, на единицу меньшей (например, бор В в кремнии Si), то при образовании ковалентной связи возникают вакансии, то есть незаполненные связи, которые могут быть сравнительно легко заняты другими валентными электронами (рис. 10). При этом освободившаяся связь основы (Si) есть дырка. Она может перемещаться в качестве носителя положительного заряда. Возникает отрицательный ион примеси, жёстко связанный с соседними атомами. Концентрация дырок больше концентрации электронов. Они являются основными носителями тока.

Примесь называется акцепторной, а полупроводник обладает проводимостью р- типа. Энергия, необходимая для заполнения химической связи атома основы с атомом примеси значительно меньше ширины запрещённой зоны. Для пары В–Si она составляет ~ 0, 08 эВ. Это значит, что в запрещённой зоне появляется дополнительный энергетический уровень, расположенный вблизи потолка валентной зоны (рис. 8 б). Он называется акцепторным.

При Т = 0 уровень Ферми в полупроводнике n -типа находится между дном зоны проводимости и донорным уровнем, а в полупроводнике р -типа – между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем. При повышении температуры энергия Ферми изменяется та, что в том и в другом случае уровень Ферми смещается к середине запрещённой зоны (рис. 8).

(5)

(6)

При низких температурах электропроводность полупроводника

изменяется по закону

,

– энергия активации примеси.

На рис. 10 приведена полулогарифмическая зависимость электропроводности от обратной температуры для примесного полупроводника.

При температурах, когда примесные уровни истощены, справедливо выражение (4).