При малой концентрации примесей вероятность перехода электронов от одного атома примеси к другому очень мала, однако примеси могут обеспечивать переход электронов в зону проводимости, либо принимать их из валентной зоны. Для двух рассмотренных случаев, в запрещенной зоне полупроводника формируются дополнительные примесные уровни. В первом случае примесные уровни расположены в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. При отсутствии внешних энергетических воздействий, эти энергетические уровни заполнены электронами, которые при незначительных энергетических воздействиях могут переходить в зону проводимости. Величина энергии , которую необходимо сообщить электрону для перехода с приметного уровня в зону проводимости, называется энергия ионизации доноров.Такие полупроводники называют донорами. Оба проводника с примесями такого типа, наиболее существенный вклад в электропроводность вносят электроны, поставляемые с приметных уровней в зону проводимости. В таких полупроводниках концентрация электронов превышает концентрацию дырок, поэтому такие полупроводники называют полупроводниками n -типа.

Энергетическая диаграмма полупроводника n -типа.

В полупроводнике n-типа происходит смещение уровня Ферми, по сравнению с положением уровня Ферми в собственном полупроводнике, в сторону зоны проводимости. Полупроводник n-типа с донорным типом примесей формируется в случае наличия в структуре полупроводникового материала примесей с валентностью долей чем валентность собственных атомов полупроводника. В качестве примера можно привести примесь пятивалентного мышьяка в структуре четырехвалентного кремния. В данном случае четыре электрона атома мышьяка образуют ковалентные связи с атомами кремния, а пятая связь остается незаполненной, в результате электрон становится менее сильно связан с атомом и достаточно относительно небольшого энергетического воздействия, чтобы оторвать его от атома.

Во втором случае, в результате внесения примесей возникают незаполненные энергетические уровни в зоне проводимости вблизи потолка валентной зоны. Из-за теплового воздействия возникает вероятность перехода электронов из валентной зоны на эти незаполненные примесные энергетические уровни. Поскольку эти уровни расположены сравнительно недалеко от потолка валентной зоны, то необходимое энергетическое воздействие для перехода электронов валентной зоны на эти уровни значительно меньше, чем нужно для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Величина этой энергии называется энергия ионизации акцептора, а, соответсвенно, примеси, образующие такие энергетические уровни, называют акцепторами. В связи с тем, что концентрация примесей значительно меньше концентрации атомов самого полупроводника и атомы примесей достаточно разрозненные, то электроны, перешедшие на эти приметные уровни выбывают из процесса электропроводности. В результате перехода электронов из валентной зоны на примесные уровни, в валентной зоне образуются положительно заряженные дырки. Полупроводники такого типа характеризуются концентрацией дырок значительно более чем концентрация электронов и полупроводники с примесями такого типа называют полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками p -типа.

Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа:

В полупроводнике p-типа уровень Ферми по сравнению с положением в собственном полупроводнике смещается в сторону валентной зоны. Примеси такого типа формируются в случае введения в состав полупроводника примесей с валентностью меньшей, чем валентность собственных атомов полупроводника. Например: при внесении в состав кремния трехвалентного атома алюминия для установления химической связи с соседними атомами кремния нахватает одного электрона. В результате атом алюминия может захватить дополнительные электрон у одного из соседних атомов кремния. В данном случае у кремния формируется незавершенная химическая связь и образуется энергетическая вакансия. Образовавшаяся незавершенная химическая связь приводит к тому, что энергия необходимая для отрыва дырки от атома кремния значительно меньше, чем энергия которая необходима для ионизации собственных атомов кремния. Величина этой энергии, называемой энергии ионизации акцепторов, достаточно невелика и при сравнительно небольших температурных воздействиях, возможен переход электронов на пресные уровни и формирование дырочкой проводимости.

В примесном полупроводнике концентрация носителей заряда электронов и дырок соответственно отличается от концентраций в собственном полупроводнике. Произведение концентраций электронов и дырок определяется формулой:

В примерном полупроводнике носители зарядов, концентрации которых больше, в примесном полупроводнике, называют основными носителями заряда, носители заряда, концентрация которых меньше, называют неосновными носителями заряда. Соотвественно в полупроводнике основными постелями заряда являются электроны, а в полупроводнике p-типа дырки.

30.10.2018

Лекция№9.(заимствованная)

Температурная зависимость концентрации носителей заряда в примесных полупроводниках.

Представленная на графике температурная зависимость концентрации носителей заряда в примесном полупроводнике обусловлена действием следующих факторов: при низких температурах до характерных точек 4 и 5 на графике происходит ионизация примесных атомов, соответственно растёт концентрация носителей заряда, обусловленных этими примесными атомами. После достижения температуры данных характерных точек практически все примеси, находящиеся в полупроводнике, находятся в ионизированном состоянии, но при этом сообщаемая ему тепловая энергия недостаточна для эффективной ионизации собственных атомов полупроводника. Соответственно, при увеличении температуры, концентрация носителей зарядов на участках 4-6 и 5-7 сохраняется практически постоянной. При достижении температуры соответствующей точкам 6 и 7 энергия становится достаточной для начала ионизации собственных атомов полупроводника. Соответственно первый участок называется областью примесной проводимости, горизонтальный участок называется областью истощения примесей. Соответственно третий участок называется область собственной проводимости. Верхняя часть графика, соответствующая максимальной концентрации примесей, характеризуется тем, что примесные уровни перекрывают зону проводимости. Полупроводник с такой концентрацией примесей называют вырожденным, и он характеризуется температурной зависимостью, состоящей только из двух участков.