Носители зарядов в полупроводниковых материалах

Плоская кристаллическая решетка, представленная на рис. 1.3, возможна только при температуре абсолютного нуля. Уже при комнатной температуре под действием тепловых колебаний атомов в решетке часть валентных связей разрывается. Количество разрушенных связей зависит от температуры. В результате этого процесса образуется свободный электрон и незаполненная (оборванная) связь между атомами кристаллической решетки (рис. 1.4). Эта незаполненная связь получила название дырки. Дырка также как электрон подвижна, совершает хаотическое или направленное движение внутри кристаллической решетки после своего появления, а затем рекомбинируется с одним из свободных электронов. Время существования дырки носит название времени жизни.

 

Следовательно, в полупроводнике имеются два вида носителей – электрон и дырка, которые имеют противоположное направление движения, но так как заряд у них разный, то полный ток (полная проводимость) определяются перемещением электронов и дырок.

Рассмотренная кристаллическая решетка относится к абсолютно чистому или однородному полупроводнику, который носит название собственного. В полупроводниковой электронной технологии наибольшее применение получили примесные полупроводники, которые имеют по отношению к собственному полупроводнику несравнимо большею проводимостью. В качестве примеси используются трех и пяти валентные материалы.

Для примера добавим в кремний пятивалентный мышьяк в количестве примерно 10^–5 % , от атомов кремния. В этом случае атом мышьяка займет один из узлов кристаллической решетки. Четырьмя валентными электронами соединится с соседними атомами образуя при этом устойчивую кристаллическую решетку, а пятый электрон оказывается слабо связанным с ядром и уже при комнатной температуре становится свободным (рис. 1.5).

Следовательно, в таком полупроводнике появляется большое количество свободных электронов (проводимость возрастает в сотни раз). Такие полупроводники получили название n-полупроводников, а примесь – донорной. Основными носителями в n-проводников являются электроны, а неосновными – дырки, концентрация которых значительно меньше концентрации электронов. В качестве донорной примеси кроме мышьяка часто используетсяфосфор (Р), висмут (В), сурьма (Sb). Если электрон покинет атом донора, то внутри кристаллической решетки образуется неподвижный положительный ион донора (рис. 1.6).

 

Если в чистый полупроводник добавить 3-валентную примесь (например, индий (In), бор (В), галий (Gа) и т.д.) в той же пропорции, что и донорная примесь, то атом примеси займет один из узлов в кристаллической решетке, тремя валентными электронами соединится с тремя соседними атомами, а одна валентная связь останется незаполненной (рис. 1.7). Такие полупроводники получили название р-полупроводников, а примесь – акцепторной. Основные носители в р-полупроводнике дырки, неосновные – электроны, так как концентрация дырок несравнимо больше концентрации электронов. Если дырка, образованная акцепторной примесью, рекомбинируется с электроном, то внутри кристаллической решетки образуется неподвижный отрицательный ион акцептора (рис. 1.8).