Примесные полупроводники

Если в кристалл германия или кремния добавить примесь элементов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примеси могут быть донорного и акцепторного типов.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электронами и отдающий в возбужденном состоянии электрон в зону проводимости, называют донором.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень свободный от электронов в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны при возбуждении, создавая дырки в валентной зоне, называют акцептором.

Рассмотрим образование примесных полупроводников.

При внесении в предварительно очищенный кремний, германий примеси пятивалентного элемента - донора (фосфор Р, сурьма Sb, мышьяк As) атомы примеси замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки (рисунок 1.13, а).

При этом четыре из пяти валентных электронов атома примеси образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый электрон оказывается избыточным (рисунок 1.13, б).

Энергия ионизации донорных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных полупроводников. Поэтому при комнатной температуре избыточные электроны примеси возбуждаются и переходят в зону проводимости. Атомы примесей, потерявшие избыточный электрон, превращаются в положительные ионы.

Рисунок 1.13 - Структура и зонная диаграмма полупроводника с донорной примесью

Количество электронов NД, переходящих под действием тепловой энергии в зону проводимости с донорного уровня WД, значительно превышает количество электронов ni переходящих в зону проводимости из валентной зоны в процессе генерации пар электрон - дырка. Поэтому можно считать, что концентрация электронов проводимости полностью определяется концентрацией донорной примеси nn << Nд, а концентрация дырок составляет:

(1.18)

Концентрация дырок в донорном полупроводнике значительно ниже, чем в собственном полупроводнике. В связи с этим дырки рn являются неосновными носителями, а электроны nn - основными.

Рисунок 1.14 - Структура и зонная диаграмма полупроводника с акцепторной примесью

Поэтому донорный полупроводник называется электронным полупроводником или полупроводником n - типа.

При добавлении в кристалл германия или кремния примеси трехвалентного элемента - акцептора (галлий Ga, индий In, бор В) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы полупроводника. Для образования четырех ковалентных связей не хватает одного валентного электрона атомов примеси (рисунок 1.14, а).

Достаточно небольшой внешней энергии, чтобы электроны из верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие ковалентные связи (рисунок 1.14, б).

При этом в валентной зоне появляются избыточные уровни (дырки), которые участвуют в создании электрического тока. За счет ионизации атомов исходного материала часть электронов из валентной зоны попадают в зону проводимости. Число дырок в акцепторном полупроводнике превышает число электронов:

Интересное из раздела

Калибровка мониторов на основе науки о цвете – колориметрии
Полиграфическая индустрия активно развивается и предлагает клиентам все больше новых и интересных решений. Также растет требовательность заказчиков к резуль ...

Проект корпоративной вычислительной сети
Локальные сети в последнее время все более превращаются в обязательную принадлежность любой компании, имеющей больше одного компьютера. Это обусловлено возр ...

Проектирование железнодорожного узла связи на основе цифровой АТС Квант-Е
Цифровая система коммутации «Квант-Е» имеет модульное построение, распределенную коммутацию, децентрализованное программное управление и возможность централ ...