Собственная и примесная электропроводность полупроводников.

При действии на полупроводник внеш­него электрического поля электрон, об­ладая отрицательным зарядом, будет перемещаться в направлении, противо­положном направлению внешнего по­ля, разгоняясь до скорости v. Отноше­ние средней скорости дрейфа электро­на к напряженности поля называют подвижностью электрона µn, которая измеряется в м²/(В·с):

                                                  (16.1)

На месте оторвавшегося электрона остается положительно за­ряженная незаполненная связь с зарядом, равным заряду электро­на, которая получила название дырки проводимости. Как показано на рис. 16.3, б, дырку может запять электрон соседнего атома, причем для этого не понадобится разрывать еще одну связь. Это эквивалентно тому, что дырка переместится в обратном направ­лении, т. е. в направлении внешнего поля. Таким образом, разрыв одной ковалентной связи приводит к появлению в полупроводнике сразу двух свободных носителей заряда: отрицательно заряженно­го электрона проводимости и положительно заряженной дырки про­водимости. Этот процесс носит название генерации электрон­но-дырочных пар. Ясно, что концентрация свободных электро­нов п в единице объема равна концентрации дырок р, т.е. п=р [м^-3], и полупроводник в целом остается нейтральным.

Полупроводник, в котором электропроводность возникает за счет разрыва собствен­ных ковалентных связен, называют собственным.

На рис. 16.4 показано, что энергетические уровни связанных электронов, расщепляясь при сближении атомов, образуют зону энергий, называемую валентной зоной. Энергетические уров­ни, которые могут занять свободные электроны, образуют зону проводимости. Между этими зонами лежит запрещен­ная зона, в которой нет разрешенных энергетических уровней. Для полупроводников ширина запрещенной зоны колеблется в широких пределах - от 0,1 до 3 эВ. Чтобы перевести электрон с верхнего уровня валентной зоны W_v на нижний уровень зоны про­водимости Wс ему нужно сообщить энергию активации, равную ширине запрещенной зоны:

                                        (16.3)

При этом в валентной зоне остается свободный уровень — поло­жительно заряженная дырка. В результате в полупроводнике воз­никает два носителя заряда: электрон в зоне проводимости и дыр­ка в валентной зоне.

Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полу­проводнике происходит и обратный процесс: электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, заполняя дырку и выделяя энергию AW. Этот процесс носит название рекомбинации но­сителей заряда. Между процессами генерации и рекомбинации но­сителей заряда при стационарных внешних условиях устанавливается динамическое равновесие.

Примесная электропроводность полупроводников

Лишь идеальные полупроводниковые кристаллы проводят элект­рический ток целиком за счет собственной электропроводности. В реальных, т. е. используемых па практике, полупроводниковых материалах преобладает примесная электропроводность, которой гораздо легче управлять. Причиной возникновения примесной электропроводности является несовершенство кристаллической структуры полупроводника, наличие дефектов в его кристаллической решетке.

Обратимся к энергетической диа­грамме полупроводника (рис. 16.5).

Дефекты кристаллической структуры вызывают появление дополнительных энергетических уровней, лежащих внутри запрещенной зоны. Поэтому энергия, необходимая для перехода электрона с дополнительного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на дополнительный уровень, ока­зывается гораздо меньше ширины за­прещенной зоны ∆W.

Дефекты, вызывающие появление в полупроводнике дополни­тельных свободных электронов, называют донорными, а обуслов­ленную ими электропроводность называют электронной. Их энер­гетические уровни W_д обычно лежат вблизи дна зоны проводимости W_c. Дефекты, вызывающие появление в полупроводнике дополни­тельных дырок проводимости, называют акцепторными, а обуслов­ленную ими электропроводность называют дырочной. Энергетичес­кие уровни акцепторных дефектов W_a, как правило, лежат вблизи потолка валентной зоны W_v. Соответственно полупроводники с пре­обладанием электронной электропроводности называют электронными (или n-типа), а полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности — дырочными (или р-типа).

Пример: Пусть атом кремния в кристаллической решетке замещен атомом элемента с валентностью, отличающейся на единицу, например фосфором (рис. 16.6, а).

Четыре из пяти валентных электронов фосфора будут участвовать в образовании ковалентных связей с соседними атомами кремния, а пятый электрон будет связан толь­ко со своим атомом. Прочность такой связи много меньше прочнос­ти ковалентной связи, т. е. энергия ионизации примеси W_д, необходимая для отрыва этого электрона, много меньше ширины запре­щенной зоны ∆W. При наличии фосфора в кремнии W_д=0,044 эВ, ∆W=1,12 эВ. Следовательно, достаточно очень небольшой допол­нительной энергии, чтобы этот пятый электрон оторвался от атома фосфора и стал электроном проводимости. На месте, оторвавшегося электрона образуется дырка, но так как атомы фосфора из-за их малой концентрации расположены далеко друг от друга, электроны других атомов не смогут заполнить ее. В результате дырка оста­ется неподвижной, и дырочная электропроводность отсутствует. Следовательно, электропроводность будет носить электронный ха­рактер.

Теперь рассмотрим случай замещения атомов кремния атомами трехвалентного элемента, например бора (рис. 16.6, б). Все три его валентных электрона участвуют в образовании ковалентных связей с атомами кремния, но одна связь остается незаполненной. Эту связь может заполнить электрон соседнего атома кремния, при­чем для этого потребуется очень малая по сравнению с ∆W энергия ионизации W_а (для бора в кремнии W_a=0,046 эВ). Приняв допол­нительный электрон, атом бора ионизируется и становится отрицательным ионом, а атом кремния, отдавший электрон, — положительным ионом. Будучи связанными кристаллической решеткой, ионы остаются неподвижными. Носителем заряда является только неза­полненная связь — дырка, и электропроводность полупроводника носит дырочный характер.

Таким образом, введение примесей приводит к появлению в по­лупроводнике примесной электропроводности за счет ионизации атомов примесей. Принципиальное отличие примесной электропро­водности от собственной заключается в том, что в ее создании уча­ствуют носители заряда только одного знака (электроны в полу­проводниках n-типа и дырки в полупроводниках р-типа).