Домішкова провідність напівпровідників

План :

Поняття провідності

Напівпровідникова провідність та її типи

Напівпровідники n- типу

Напівпровідники p- типу

Використана література

Провідність– здатність тіла, речовини проводити тепло, звук, електрику, іншу плинну речовину (газ, рідину) тощо. Відповідно розрізняють теплопровідність, звукопровідність, електропровідність, провідність пласта і т.д..

Напівпровідникова провідність та її типи

Елетрони та дірки, що знаходяться в дозволених енергетичних зонах можуть переміщуватись в межах простору кристалу, прискорюючись або сповільнюючись під впливом електричних полів. При цьому їх інерційні властивості характеризуються еффективною масою, яка для вільного електрона в кристалі відрізняється від маси вільного електрона у вакуумі через вплив навколишнього середовища. Оскільки властивості кристалу є анізотропними, то анізотропною є і ефективна маса, тобто в різних кристалічних напямках залежність енергії від імпульсу може бути різною.

Розрізняють власну і домішкову провідність напівпровідників.

Якщо напівпровідник нагріти або опромінити, то електрони почнуть відриватись від своїх атомів, а на їх місці виникне дірка (фактично позитивний іон), якій приписують позитивний заряд. Таким чином в напівпровіднику відбувається генерація (утворення) пар зарядів “електрон – дірка”, яких є однакова кількість.

Провідність, створена власними носіями заряду, називається власною. Якщо електрон попадає в дірку, то відбувається рекомбінація, тобто зникнення пари зарядів.

Якщо в напівпровідник германій добавити елемент V групи таблиці Мєндєлєєва миш’як, то чотирма своїми електронами він зв’яжеться з чотирма атомами германію, а п’ятий електрон лишившись без зв’язку відірветься і стане вільним. Тобто носіями заряду будуть негативні вільні електрони. Такий напівпровідник називається п-типу (від слова негатив), а домішки – донорними.

Якщо в напівпровідник германій добавити елемент ІІІ групи, наприклад індій, то трьома своїми електронами він зв’язується з трьома атомами германію, а для зв’язку з четвертим атомом позичає електрон у якогось атома германія. На тому місці лишається позитивна дірка.

Такий напівпровідник називається р-типу (від слова позитив), а домішки акцепторними.

Провідність створена зарядами домішок називається домішковою.

Домішкова провідність напівпровідників

Провідність напівпровідників, зумовлена домішками, називається домішковою провідністю, а самі напівпровідники – домішковими напівпровідниками

Домішками є атоми сторонніх елементів, надлишкові атоми, теплові (пусті вузли або атоми в міжвузоллях) і механічні (тріщини, дислокації і т. д.) дефекти. Наявність в напівпровіднику домішки суттєво змінює його провідність.

При заміщенні атома германію Ge п'ятивалентним атомом миш'яку (As) один електрон не може утворити ковалентний зв'язок, він виявляється зайвим і може бути при теплових коливаннях ґратки легко відщеплений від атома, тобто стати вільним

Утворення вільного електрона не супроводжується порушенням ковалентного зв'язку, дірка не виникає. Надлишковий позитивний заряд, що виникає поблизу атома домішки, зв'язаний з атомом домішки, і тому переміщатися по ґратці не може.

З погляду зонної теорії цей процес можна представити так. Введення домішки спотворює поле ґратки, що приводить до виникнення у забороненій зоні енергетичного рівня Dвалентних електронів миш'яку, який називається домішковим рівнем

У випадку Ge з домішкою Аs цей рівень розміщується від дна зони провідності на відстані . Оскільки , то уже при звичайних температурах енергія теплового руху достатня для того, щоб перекинути електрони з домішкового рівня в зону провідності. Дірки, які утворюються при цьому, локалізуються на нерухомих атомах миш'яку і у провідності участі не беруть.

Отже, в напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю більша, ніж валентність основних атомів, носіями струму є електрони, виникає електронна домішкова провідність n-типу. Напівпровідники з такою провідністю називаються електронними (n-типу). Домішки, що є джерелом електронів, називаються донорами, а енергетичні рівні цих домішок – донорними рівнями.

Припустимо, що в ґратку кремнію (Si) введено домішковий атом бору (В) з трьома валентними електронами

Для утворення зв'язків з чотирма сусідами в атома бору не вистачає одного електрона, один із зв'язків залишається неукомплектованим і четвертий електрон може бути захоплений від сусіднього атома основної речовини, де утворюється дірка. Дірки не залишаються локалізованими, а переміщаються в ґратці Sі як вільні позитивні заряди. Надлишковий від'ємний заряд, що виникає поблизу атома домішки, зв'язаний з атомом домішки і по ґратці переміщатися не може.

Згідно із зонною теорією введення тривалентного атома в ґратку Sі приводить до виникнення в забороненій зоні домішкового рівня А, не зайнятого електронами

У випадку Si з домішкою В цей рівень локалізується вище верхнього краю валентної зони на

.

При порівняно низьких температурах електрони з валентної зони переходять на домішкові рівні і, зв'язуючись з атомами бору, втрачають здатність переміщатися по ґратці кремнію, тобто в провідності участі не беруть. Носіями струму є лише дірки, що виникають у валентній зоні.

Отже, в напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю менша, ніж валентність основних атомів, носіями струму є дірки – виникає діркова провідність.

Напівпроводник n-типу - напівпровідник, в якому основні носії заряду - електрони провідності.

Для того, щоб отримати напівпровідник n-типу, власний напівпровідник легують донорами. Здебільшого це атоми, які мають на валентній оболонці на один електрон більше, ніж атоми напівпровідника, який легуєт Напівпроводник n-типу - напівпровідник, в якому основні носії заряду - електрони провідності.

Для того, щоб отримати напівпровідник n-типу, власний напівпровідник легують донорами. Здебільшого це атоми, які мають на валентній оболонці на один електрон більше, ніж атоми напівпровідника, який легується. При не надто низьких температурах електрони зі значною ймовірністю переходять із донорних рівнів у зону провідності, де їхні стани делокалізовані й вони можуть вносити вклад у електричний струм.

Кількість електронів у зоні провідності залежить від концентрації донорів, енергії донорних рівнів, ширини забороненої зони напівпровідника, температури, ефективної густини рівнів у зоні провідності.

Здебільшого легування проводиться до рівня 1013 - 1019 донорів на см3. При високій концентрації донорів напівпровідник стає виродженим.ься. При не надто низьких температурах електрони зі значною ймовірністю переходять із донорних рівнів у зону провідності, де їхні стани делокалізовані й вони можуть вносити вклад у електричний струм.

Кількість електронів у зоні провідності залежить від концентрації донорів, енергії донорних рівнів, ширини забороненої зонинапівпровідника, температури, ефективної густини рівнів у зоні провідності.

Здебільшого легування проводиться до рівня 10¹³ - 10¹⁹ донорів на см³. При високій концентрації донорів напівпровідник стаєвиродженим.

Напівпровідник p-типу - напівпровідник, в якому основними носіями заряду є дірки.

Напівпровідники p-типу отримують методом легування власних напівпровідників акцепторами. Для напівпровідників четвертої групи періодичної таблиці, таких як кремній та германій, акцепторами можуть бути домішки хімічних елементів третьої групи - бор, алюміній.

Наприклад, якщо кремній легувати 3-валентним індієм, то для утворення зв’язків з кремнієм у індію не вистачає одного електрона, тобто утворюється дірка. Змінюючи концентрацію індію, можна в широких межах змінювати провідність кремнію, створюючи напівпровідник із заданими електричними властивостями. Такий напівпровідник називається напівпровідником p-типу, основними носіями заряду є дірки, а домішка індію, що дає дірки, називається акцепторною.

Концентрація дірок у валентній зоні визначається температурою, концентрацією акцепторів, положенням акцепторного рівня над верхом валентної зони, ефективною густиною рівнів у валентній зоні.

Використана література

§ Ансельм А.И. Введение в физику полупроводников.. — Москва : Наука., 1978.

§ Бонч- Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. — Москва : Наука., 1977.

§ Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных схем. — Москва : Высшая школа, 1980.