Электрические характеристики примесного полупроводника определяются наличием примеси, поэтому в нём преобладает примесная электропроводность, обусловленная ионизацией атомов донорной или акцепторной примесей при любом способе возбуждения.
Примесями в простых полупроводниках служат чужеродные атомы, например, пятивалентная сурьма или трёхвалентный индий. Под примесями в полупроводниковых химических соединениях понимают не только включения атомов посторонних элементов, но и избыточные по стехиометрическому составу (стехиометрия – наука, учение о количественных соотношениях между массами, вступающих в химическую реакцию веществ) атомы тех элементов, которые входят в химическую формулу самого соединения.
Рассмотрим электрофизические явления в полупроводниках с донорной примесью.
При введении в четырехвалентный полупроводник, например, кремния Si, пятивалентной примеси, например, фосфора Р, атомы примеси замещают основные атомы в отдельных узлах кристаллической решётки. Четыре электрона примесного атома входят в парные электронные связи с четырьмя четырёхвалентными атомами соседних атомов основного полупроводника. Пятый валентный электрон примесного атома избыточный и оказывается слабо связанным со своим атомом. При сообщении этому электрону незначительной энергии он отрывается от атома и становится электроном проводимости (рисунок 1), а атом превращается в положительный ион.
Рисунок 1 – Фрагмент кристаллической решётки четырёхвалентного кремния с донорной примесью пятивалентного фосфора
При этом, дефект решётки, способный при возбуждении отдать электрон в зону проводимости, называется донором. Примеси, атомы которых являются донорами, называются донорными примесями, так как они увеличивают число электронов проводимости.
Избыточные электроны создают в полупроводнике электронную электропроводность или электропроводность n-типа (от лат. «negative» - отрицательный), т.е. электропроводность полупроводника, обусловленную в основном перемещением электронов проводимости. Отсюда и название – полупроводник n-типа.
Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа (т.е. такими, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает) являются электроны.
Неосновными носителями заряда в полупроводнике n-типа (т.е. такими, концентрация которых в данном полупроводнике меньше, чем концентрация основных носителей заряда) являются дырки.
Рассмотрим электропроводность полупроводника n-типа с энергетической точки зрения.
Электрон отдельного атома характеризуется разрешёнными уровнями энергии, на которых он может находиться. В кристалле полупроводника уровни энергии электронов объединяются в энергетические зоны (Что такое зонная теория твёрдого тела?), что схематически можно представить в виде энергетической диаграммы, показанной на рисунке 2.
Рисунок 2 – Энергетическая диаграмма полупроводника с электронной электропроводностью
Введение донорной примеси в основной полупроводник приводит к образованию в энергетической диаграмме дополнительных разрешённых уровней, образованных атомами донорной примеси Wд и расположенных в запрещённой зоне вблизи «дна» зоны проводимости. Электроны донорной примеси, для того, что бы попасть в зону проводимости, должны получить дополнительную энергию ΔWд, которая называется энергией активации и равна разности между уровнем энергии электронов нижнего участка зоны проводимости Wп и уровнем энергии, соответствующем энергии атомов донорной примеси:
Поскольку энергия активации значительно меньше энергии диссоциации (ΔWд = 0,01-0,07 эВ) и переход электронов с дополнительных разрешённых уровней в зону проводимости не сопровождается одновременным увеличением дырок в валентной зоне то, электропроводность такого полупроводника будет создаваться в основном за счёт электронов донорной примеси. Лишь небольшая часть валентных электронов преодолеет ширину запрещённой зоны ΔW0 и перейдёт из валентной зоны Wв в зону проводимости Wд, создав при этом соответствующее количество дырок.
Поэтому в полупроводнике n-типа концентрация электронов ni значительно больше концентрации дырок pi.
Даже при комнатной температуре практически все электроны атомов донорной примеси переходят с дополнительных разрешённых уровней в зону проводимости повышая электропроводность примесного полупроводника.
Атомы пятивалентной донорной примеси после ухода от них электронов превращаются в положительные ионы. В отличие от дырок, положительные ионы прочно связаны с кристаллической решеткой основного полупроводника, являются неподвижными положительными зарядами и не могут принимать непосредственного участия в создании электрического тока в полупроводнике.
В качестве донорной примеси в полупроводниковых радиоматериалах используются пятивалентные элементы - Р (фосфор), As (мышьяк), Bi (висмут) и шестивалентные - S (сера), Se (селен).
Рассмотрим электрофизические явления в полупроводниках с акцепторной примесью.
При введении в четырехвалентный полупроводник (например, всё тот же кремний) трехвалентной примеси (например, индий In) три электрона примеси образуют с тремя электронами основного полупроводника прочные ковалентные связи. Для образования четырех ковалентных связей у примесного атома недостает одного электрона. Этот электрон может быть получен от атома основного полупроводника за счет разрыва валентной связи и образованием на его месте дырки (рисунок 3). Атом примеси после заполнения парных электронных связей становится отрицательным ионом.
Рисунок 3 – Фрагмент кристаллической решётки четырёхвалентного кремния с акцепторной примесью трёхвалентного индия
При этом, дефект решётки, способный при возбуждении захватывать электрон из валентной зоны, называется акцептором. Примеси, атомы которых являются акцепторами, называются акцепторными примесями, так как они увеличивают число дырок проводимости.
Избыточные дырки создают в полупроводнике дырочную электропроводность или электропроводность p-типа (от лат. «positive» - положительный), т.е. электропроводность полупроводника, обусловленную в основном перемещением дырок проводимости. Отсюда и название – полупроводник p-типа.
Основными носителями заряда в полупроводнике p-типа являются дырки, а неосновными носителями заряда в полупроводнике p-типа являются электроны.
Рассмотрим электропроводность полупроводника p-типа с энергетической точки зрения.
Введение акцепторной примеси в основной полупроводник соответствует появлению в энергетической диаграмме полупроводника дополнительных разрешённых уровней Wа. Энергетические уровни электронов акцепторов Wa располагаются вблизи валентной зоны (рисунок 4).
Рисунок 4 – Энергетическая диаграмма полупроводника с дырочной электропроводностью
Поскольку энергия активации акцепторной примеси
Энергия активации акцепторов ΔWa (т.е. энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны на уровень Wa) составляет 0,01…0,16 эВ.
Ввиду малого значения энергии активации акцепторов, уже при комнатной температуре электроны из валентной зоны переходят на уровни акцепторов. Эти электроны, присоединяясь к атомам примеси, превращают их в отрицательные ионы, а сами теряют способность перемещаться по кристаллической решетке и не могут участвовать в создании электрического тока. Подвижными носителями заряда становятся дырки, перемещающиеся в валентной зоне.
Поэтому в полупроводнике p-типа концентрация дырок pi значительно больше концентрации электронов ni.
В качестве акцепторной примеси в полупроводниковых радиоматериалах используются трёхвалентные элементы - Ga (галлий), In (индий), Al (алюминий).