Примесные полупроводники

Небольшое содержание примеси (1 атом на 10⁶ атомов полупроводника ) существенно изменяют электрические свойства. Примесные атомы также располагаются в узлах кристаллической решетки, т.е. занимают место атома основного материала. При этом атом примеси участвует в тех же ковалентных связях с соседними атомами с помощью обобществленных электронов. В качестве примесей применяются 3-х и 5-ти валентные металлы.

Донорные примеси - это 5-валентные металлы (для германия - мышьяк As, сурьма Sb, для кремния - фосфор P). Четыре валентных электрона примесного атома участвуют в межатомных связях, а пятый слабо связан со своим ядром и может легко перейти в зону проводимости, т.е. имеет малую энергию ионизации DW_д. При довольно низких температурах все примесные атомы ионизированы, т.е. концентрация свободных электронов гораздо больше, чем дырок. В этом полупроводнике преобладает электронная электропроводность, и он называется электронным полупроводником, или полупроводником n-типа. Электроны являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями: n_n>>p_n.

Акцепторные примеси - это 3-х валентные металлы (для германия - индий In, для кремния - алюминий Al или бор В). Для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки атом примеси захватывает недостающий свободный электрон одного из атомов основного материала. При этом примесный атом превращается в отрицательный неподвижный ион, а на месте ушедшего электрона появляется дырка, которая добавляется к собственным дыркам. Для ионизации акцепторных атомов необходима небольшая дополнительная энергия DW_a=0.02 эВ, т.е. уровни примесных атомов близки к валентной зоне. При небольших температурах все атомы примеси ионизированы и в этом полупроводнике преобладает концентрация дырок. Он называется дырочным полупроводником, или р-типа.

Дырки являются основными носителями заряда, а электроны - неосновными: p_p>>n_p.

Для примесных полупроводников справедливо равенство:

n_np_n=n_pp_p=n_ip_i=const.

В полупроводнике n-типа концентрация донорной примеси N_д>>n_i, поэтому можно считать, что концентрация основных носителей

n_n=N_д+n_i»N_д,

а неосновных носителей

p_n=n_ip_i/n_n=n_i²/N_д.

Аналогично в полупроводнике р-типа концентрация основных носителей

p_p»N_a,

где N_a-концентрация акцепторных примесных атомов,

n_p»n_i²/N_a.

С ростом температуры увеличивается концентрация неосновных носителей заряда - по экспоненциальному закону. После превышения некоторой температуры полупроводник вырождается, т.к. концентрации неосновных и основных носителей сближаются. Германиевые приборы могут работать до +85⁰С, кремниевые - до + 150⁰С.