Учебник для 10-11 классов

ФИЗИКА

§ 3.16. Примесная электропроводность полупроводников

• Проводимость полупроводников чрезвычайно сильно зависит от примесей. Именно эта зависимость сделала полупроводники тем, чем они стали в современной технике.

Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов. Например, в германии при комнатной температуре n_е = 3 • 10¹³ см^-3. В то же время число атомов германия в 1 см³ порядка 10²³.

Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов. Собственная проводимость полупроводников имеет некоторое сходство с проводимостью водных растворов или расплавов электролитов. И в том, и в другом случае возникновение свободных носителей заряда обусловлено тепловым движением. Поэтому и у полупроводников, и у водных растворов или расплавов электролитов наблюдается увеличение проводимости с ростом температуры.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменить число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей. Эта способность полупроводников и открывает широкие возможности для их практического применения.

Донорные примеси

Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить небольшое количество мып1ьяка или сурьмы, то при кристаллизации атомы примеси вытесняют отдельные атомы германия из их мест в кристаллической решетке (рис. 3.47). Мышьяк (и сурьма) имеют по пять валентных электронов. Поэтому атомы примеси, образовав ковалентные связи с четырьмя ближайшими атомами германия и использовав для этого четыре валентных электрона, будут иметь по одному лишнему электрону, слабо связанному с атомным ядром.

Вследствие теплового движения практически все лишние электроны атомов примеси оказываются свободными (см. рис. 3.47). При добавлении одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 10¹⁶ см^-3. Это в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике.

Рис. 3.47

Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют д о-норными (отдающими, дарящими) примесями. При наличии электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нем возникает электронная примесная проводимость. Полупроводники с такой проводимостью называются электронными или полупроводниками n-типа.

Поскольку в полупроводнике n-типа число электронов значительно больше числа дырок, то электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Акцепторные примеси

Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить некоторое количество трехвалентных атомов, например, индия или галлия, то при образовании кристалла атомы примеси вытеснят из своих мест отдельные атомы германия. При замещении в кристаллической решетке атома германия атомом примеси, имеющим три валентных электрона, три связи атома примеси с атомами германия окажутся заполненными, а одна связь четвертого атома германия (соседа атома примеси) — незаполненной. Следовательно, в решетке образуется дырка (рис. 3.48). Каждый атом трехвалентной примеси образует в кристалле полупроводника одну дырку.

Рис. 3.48

Такого рода примеси называются акцепторными (принимающими).

Под действием электрического поля дырки перемещаются в направлении вектора напряженности поля, и в полупроводнике возникает дырочная примесная проводимость. Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называются полупроводниками р-типа. В полупроводнике р-типа. основными носителями заряда являются дырки, а неосновными — электроны.

Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости полупроводника (n- или р-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей заряда — электронов или дырок.