Полупроводники с электронной электропроводностью

При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов (фосфора

Р, сурьмы Sb) атомы приме­сей замещают основные атомы в узлах кристаллической

решетки (рис. 1.4, а). Четыре электрона атома примеси вступают в связь с

четырьмя валентными электронами со­седних атомов основного полупроводника.

Пятый валент­ный электрон слабо связан со своим атомом и при сообще­нии ему

незначительной энергии, называемой энергией ак­тивации, отрывается от атома и

становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов,

на­зывают донорными или просто донорами. Доноры подби­рают таким образом, чтобы

их энергетические уровни W_д располагались в запрещенной зоне вблизи

дна зоны про­водимости основного полупроводника (рис. 1.4, б). Посколь­ку

концентрация доноров в большинстве случаев не пре­вышает 10¹⁵...10

¹⁷ атомов в 1 см³, что составляет

10^-4 % атомов основного вещества, то взаимодействие между атомами

доноров отсутствует и их энергетические уровни не разбиваются на зоны.

Малая энергия активизации примесей, равная 0,04-0,05 эВ для кремния и 0,01-

0,13 эВ для германия, уже при ком­натной температуре приводит к полной

ионизации 5-ва­лентных атомов примесей и появлению в зоне проводимо­сти

свободных электронов. Поскольку в этом случае появ­ление свободных электронов

в зоне проводимости не со­провождается одновременным

Рисунок 1.4 Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая

диаграмма (б) полупроводника с электронной электропроводностью.

увеличением дырок в валент­ной зоне, в таком полупроводнике концентрация

электро­нов оказывается значительно больше концентрации дырок. Дырки в

полупроводниках образуются только в результате разрыва ковалентных связей

между атомами основного вещества.

Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости

превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками, с

электронной электропроводностью или полупроводни­ками n-типа.

Подвижные носители заряда, преобладающие в полу­проводнике, называют основными.

Соответственно те но­сители заряда, которые находятся в меньшем количестве,

называются неосновными для данного типа полупровод­ника. В

полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а

неосновными - дырки. В состоянии теплового равновесия в таком полупроводнике

концентрации свободных электронов (

) и дырок ()

определяются соотношениями:

; . (1.3)

С учетом соотношений (1.1) выражения (1.3) можно представить в следующем виде:

; (1.4) . (1.5)

Из этих соотношений следует, что для полупроводника n-типа выполняется

неравенство

>> .

Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону, превращаются в

положительные ионы. В отли­чие от дырок положительные ионы прочно

связаны с кри­сталлической решеткой основного полупроводника, явля­ются

неподвижными положительными зарядами и, следо­вательно, не могут принимать

непосредственное участие в создании электрического тока в полупроводнике.

Если считать, что при комнатной температуре все ато­мы донорных примесей

ионизированы (= N

_д, » 0), на

основании выражения (1.4) можно записать:

, (1.6)

где N_д - концентрация донорных атомов в полупровод­нике.

Из соотношения (1.6) видно, что в полупроводниках n-типа уровень Ферми

располагается в верхней половине запрещенной зоны, и тем ближе к зоне

проводимости, чем больше концентрация доноров. При увеличении температуры

уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации

основных атомов полупроводника.

Повышение концентрации электронов в данном полу­проводнике значительно снижает

его удельное сопротив­ление. Например, чистый кремний имеет r = 2×10

³ Ом× м, а легированный фосфором - (0,25...0,4)×10²

Ом×м.