Политех в Сети

Сайт для Учебы

Примесная проводимость полупроводников

Рейтинг пользователей: / 4
ХудшийЛучший 

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. На рис.6 условно изображена решетка германия с примесью пятивалентных атомов фосфора. Для образования ковалентных связей с соседями атому фосфора достаточно четырех электронов. Следовательно, пятый валентный электрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения, образуя странствующий свободный электрон.

В отличие от случая, рассмотренного в предыдущем параграфе, образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е. образованием дырки. Хотя в окрестности атома примеси возникает избыточный положительный заряд, но он связан с этим атомом и перемещаться по решетке не может.

Благодаря этому заряду атом примеси может захватить приблизив­шийся к нему электрон, но связь захваченного электрона с атомом будет непрочной и легко нарушается вновь за счет тепловых колебаний решетки.

Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, имеется только один вид носителей тока-электроны. Соответственно говорят, что такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником N - типа (от слова Negativ - отрицательный). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости называются Донорами.

Теперь рассмотрим случай, когда валентность примеси на единицу меньше валентности основных атомов. На рис.7 условно изображена решетка кремния с примесью трехвалентных атомов бора. Трех валентных электронов атома бора недостаточно для образования связей со всеми четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется неукомплектованной и будет представлять собой место способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникает дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникает избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока.

Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, возникают носители тока только одного вида - дырки. Проводимость в этом случае называется дырочной, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит к P - типу (от слова Positiv - положительный). Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются Акцепторными.

Электронный характер проводимости полупроводника N - типа и дырочный характер проводимости полупроводников P - типа подтверждается экспериментально при исследовании эффекта Холла. Наблюдаемый знак холловской разности потенциалов соответствует в полупроводниках N - типа отрицательным носителям тока, а в полупроводниках P - типа - положительным носителям.

Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме примесных уровней, расположенных в запрещенной зоне кристалла. В случае полупроводников N - типа примесные уровни называются Донорными, а в случае полупроводников P - типа Акцепторными.

Уровень Ферми в полупроводниках N - типа располагается в верхней половине запрещенной зоны, а в полупроводниках P - типа - в нижней половине запрещенной зоны. При повышении температуры уровень Ферми в полупроводниках обоих типов смещается к середине запрещенной зоны.

Если донорные уровни расположены вдоль недалеко от потолка валентной зоны, они не могут существенно повлиять на электрические свойства кристалла. Иначе обстоит дело, когда расстояние таких уровней от дна зоны проводимости гораздо меньше, чем ширина запрещенной зоны. В этом случае энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости (см. рис. 8,а). Этому процессу соответствует отщепление пятого валентного электрона от атома примеси. Захвату свободного электрона атомом примеси соответствует на рис.8,а переход электрона из зоны проводимости на один из донорных уровней.

Акцепторные уровни оказывают существенное влияние на электрические свойства кристалла в том случае, если они расположены недалеко от потолка валентной зоны (см. рис. 8,б). Образованию дырки отвечает переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень. Обратный переход соответствует разрыву одной из четырех ковалентных связей атома примеси с его соседями и рекомбинации образовавшегося при этом электрона и дырки.

При повышении температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения. Это означает, что практически освобождаются все донорные или заполняются электронами все акцепторные уровни. Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степени начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредствен­но из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом при высоких температурах проводимость полупроводника будет складываться из примесной и собственной проводимостей. При низких температурах преобладает примесная, а при высоких - собственная проводимость.


[1] Из системы уравнений (2.40) можно найти коэффициенты также и в том случае, если E > U0. для этого достаточно заменить в ней на.

[2] Киттель Ч. Элементарная физика твердого тела – М: Наука 1965

[3] Принципом детального равновесия называется утверждение, согласно которому в состоянии статистического равновесия число переходов системы из состояния 1 в состояние 2 равно числу обратных переходов из состояния 2 в состояние 1.

[4] Величину ни в коем случае нельзя понимать как траекторию электрона. В квантовой механике понятие траектории лишено общепринятого смысла.

[5] Функцию ни в коем случае нельзя понимать как траекторию частицы; в квантовой механике понятие траекто­рии лишено общепринятого смысла.

[6] Приведенный анализ не следует рассматривать как строгий вывод, а лишь как некоторые физические соображения, приводящие к соотношению неопределенностей с точностью до порядка величин.

[7] Соотношение неопределенностей справедливо не только для фотонов, но и для любых частиц: электронов, нейтронов и т. д.

[8] Расщепление энергетических уровней происходит также при действии на атомы электрического поля. Это явление называется эффектом Шгарка.

1 Лоренц дал классическое объяснение простого эффекта Зеемана и вы­числил величину нормального смещения. Обратите внимание на то, Что Δω0, сов­падает с Ларморовой частотой.

1 Если магнитный момент атома обусловлен внешним электроном, находя­щимся в S-состоянии, число подуровней равно двум — спин электрона «по полю» и спин «против поля».

1 Волноводами называются трубы с проводящими стенками. Объемный резонатор представляет собой полость с проводящими стенками.