"Домішкова провідність в напівпровідниках"
Домішкових провідність напівпровідників.
Провідність напівпровідників, обумовлена домішками, називаетсяпрімесной провідність, а самі напівпровідники -прімеснимі напівпровідниками. Домішкових провідність обумовлена домішками (атоми сторонніх елементів), а також дефектами типу надлишкових атомів (в порівнянні з стехиометрическим складом), тепло-вимі (порожні вузли або атоми в междоузлиях) і механічними (тріщини, дислокації і т. Д.) Дефектами . Наявність в напівпровіднику домішки істотно змінює його провідність. Наприклад, при введенні в кремній приблизно 0,001 ат.% Бору його провідність збільшується приблизно в 10 6 разів.
Примесную провідність напівпровідників розглянемо на прикладі Ge і Si, в які вводяться атоми з валентністю, відмінною від валентності основних атомів на одиницю. Наприклад, при заміщенні атома германію пятивалентного атомом миш'яку (рис. 319, а) один електрон не може утворити ковалентного зв'язку, він оказива-ється зайвим і може бути легко при теплових коливаннях ґрат отщепляя від атома, т. Е. Стати вільним. Освіта вільного електрона не супроводжується порушенням ковалентного зв'язку; отже дірка не виникає. Надлишковий позитивний заряд, що виникає поблизу атома домішки, пов'язаний з атомом домішки і тому переміщатися по решітці не може.
З точки зору зонної теорії розглянутий процес можна уявити сліду-ющим чином (рис. 319, б). Введення домішки спотворює поле решітки, що приводить до виникнення в забороненій зоні енергетичного рівня D валентних електронів миш'яку, називаемогопрімесним рівнем. У разі германію з домішкою миш'яку цей рівень розташовується від дна зони провідності на відстані DED = 0,013 еВ. Так як DED Таким чином, в напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю більше валентності основних атомів, носіями струму є електрони; віз-ника електронна домішкових провідність (провідність n-типу). Напівпровідники з такою провідністю називаютсяелектроннимі (або напівпровідниками n-типу). Домішки, які є джерелом електронів, називаються донорами. а енергетичні рівні цих домішок - донорними рівнями. Припустимо, що в решітку кремнію введений домішковий атом з трьома валентними електронами, наприклад бор (рис. 320, а). Для утворення зв'язків з чотирма найближ-шими сусідами у атома бору не вистачає одного електрона, одна з зв'язків залишається неукомплектовані і четвертий електрон може бути захоплений від сусіднього атома основної речовини, де відповідно утворюється дірка. Послідовне заповнення утворюються дірок електронами еквівалентно руху дірок в напівпровіднику, т. Е. Дірки не залишаються локалізованими, а переміщаються в решітці кремнію як вільні позитивні заряди. Надмірна ж негативний заряд, мож-ника поблизу атома домішки, пов'язаний з атомом домішки і по решітці переміщатися не може. За зонної теорії, введення трехвалентной домішки в грати кремнію призводить до виникнення в забороненій зоні домішкового енергетичного рівня А, не зайняте-го електронами. У разі кремнію з домішкою бору цей рівень розташовується вище верхнього краю валентної зони на відстані DEA = 0,08 еВ (рис. 320, б). Близькість цих рівнів до валентної зоні призводить до того, що вже при порівняно низьких температурах електрони з валентної зони переходять на домішкові рівні і, зв'язуючись з атомами бору, втрачають здатність переміщатися по решітці кремнію, т. Е. В провідності участі не беруть. Носіями струму є лише дірки, що виникають у валентній зоні. Таким чином, в напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю менше валентності основних атомів, носіями струму є дірки; виникає діркова провідність (моторність p-типу). Напівпровідники з такою провідністю називаються дірковими (або напівпровідниками p-типу). Домішки, що захоплюють електрони з валентної зони напівпровідника, називаються акцепторами. а енергетичні рівні цих домішок - акцепторними рівнями. На відміну від власної провідності, що здійснюється одночасно електронами і дірками, домішкових провідність напівпровідників зумовлена в основ-ному носіями одного знака: електронами - у разі донорної домішки, дірками - в разі акцепторной. Ці носії струму називаються основними. Крім основ-них носіїв в напівпровіднику є і неосновні носії: в напівпровідниках n-типу - дірки, в напівпровідниках p- типу - електрони. Наявність домішкових рівнів в напівпровідниках істотно змінює положення рівня Фермі ЕF. Розрахунки показують, що в разі напівпровідників n-типу рівень Фермі ЕF0 при 0 К розташований посередині між дном зони провідності і донорним рівнем (рис. 321), З підвищенням температури все більше число електронів переходить з донорних станів у зону провідності, але, крім цього , зростає і число теплових флуктуацій, здатних порушувати електрони з валентної зони і перекидати їх через заборонену зону енергій. Тому при високих температурах рівень Ферми має тенденцію зміщуватися вниз (суцільна крива) до свого граничного стану в центрі забороненої зони, характерному для власного напівпровідника. Рівень Фермі в напівпровідниках р- типу при 0 К ЕF0 розташовується посередині між стелею валентної зони і акцепторні рівнем (рис. 322). Суцільна крива знову-таки показує його зміщення з температурою. При температурах, при яких домішкові атоми виявляються повністю виснаженими і збільшення концентрації носіїв відбувається за рахунок порушення власних носіїв, рівень Фермі розташовується посередині забороненої зони, як у власному напівпровіднику. Провідність домішкового напівпровідника, як і провідність будь-якого провід-ника, визначається концентрацією носіїв і їх рухливістю. Зі зміною температури рухливість носіїв змінюється по порівняно слабкого степеневим законом, а концентрація носіїв - по дуже сильному експоненціальнимзакону, поет-му провідність домішкових напівпровідників від температури визначається в основ-ному температурної залежністю концентрації носіїв струму в ньому. На рис. 323 дано приблизний графік залежності ln g від 1 / T для домішкових напівпровідників. Ділянка AB описує примесную провідність напівпровідника. Зростання примесной проводимо-сти напівпровідника з підвищенням температури обумовлений в основному зростанням концентрації домішкових носіїв. Ділянка ВС відповідає області виснаження домішок (це підтверджують і експерименти), ділянка CD описує власну провідність напівпровідника.
Концентрація основних носіїв струму в домішкових напівпровідниках приблизно дорівнює концентрації атомів домішки в них.
Розглянемо вплив домішки провідності напівпровідника на прикладі Німеччина з домішкою миш'яку.
При кімнатній температурі концентрація вільних електронів в чистому Німеччини приблизно дорівнює 1013 1 / см3. Концентрація атомів Німеччина становить тисячі двадцять два 1 / см3.
Якщо в решітку додати на кожен мільйон атомів Німеччина один атом миш'яку, що становить лише 10-4% від числа атомів германію, то в зоні провідності може виявитися 1016 вільних електронів на кожен кубічний сантиметр решітки, тобто в 1000 разів більше, ніж при власній провідності германію. А це призведе до збільшення провідності в 1000 разів.
Аналогічні міркування можна привести і для напівпровідників p-типу.
Слід також звернути увагу на те, що провідність металів значно більше провідності напівпровідників, як з власної, так і з примесной провідністю. Це пояснюється тим, що концентрація вільних електронів металі дорівнює або в кілька разів більше концентрації атомів, тобто приблизно 1 022 1 / см3, що значно більше, ніж концентрація основних носіїв в напівпровідниках.
Щільність струму в домішкових напівпровідниках визначається за формулами:
1) в напівпровідниках n-типу
2) в напівпровідниках p-типу
де e0 - елементарний заряд,
n - концентрація основних носіїв
u - - середня швидкість направленого руху електронів
u + - середня швидкість направленого руху дірок
Питомий опір металів - низька, # 961; мет = 10 -8 - 10 -6 Ом · м. У типових діелектриках концентрація електронів незначна мала і питомий опір # 961; Діель = 10 8 - 10 12 Ом · м.
Питомий опір напівпровідників може змінюватися в залежності від температури або освітленості в межах # 961; пп = 10 - 2 - 10 6 Ом · м.
Література: Технічна та навчально-методична документація