§ 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 пе = 3 • 1013 см-3. В тоже 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 мышьяка 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
Рис. 3.48
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 га-т и п а.
Поскольку в полупроводнике л-типа число электронов значительно больше числа дырок, то электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.
Акцепторные примеси
Если при выращивании монокристалла германия вГрасплав 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 заполнен-ными, 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.
Такого рода примеси называются акцепторными (принимающими).
Под действием электрического поля дырки перемещаются в направлении вектора напряженности поля, и в полупроводнике возникает дырочная примесная проводи-мость. Полупроводники с преобладанием дырочной прово-димости над электронной называются полупроводни- к а м и р-т и п а. В полупроводнике р-типа основными носи-телями заряда являются дырки, а неосновными — элект-роны.
Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости полупроводника (п- или р-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей заряда — электронов или дырок.
Донорные примеси отдают лишние валентные электроны: образуется полупроводник п-типа. Акцепторные примеси создают дырки: образуется полупроводник р-типа.