Примесная проводимость полупроводников

При Т = 300 К, например, у кремния п ~ 10¹⁰ см^-3, а у металлов п ~ ~ 10²²—10²³ см ³. Чем же тогда интересна собственная проводимость полупроводника? Ничем — в отличие от проводимости полупроводников с примесью. Примесь — это посторонние атомы с другой валентностью в некоторых узлах кристалла. В решетке четырехвалентного кремния может оказаться, например, пятивалентный мышьяк (рис. 10.10, а). В этом случае четыре валентных электрона As вступают в химическую связь с атомами Si, а пятый оказывается «лишним». Он слабо связан с решеткой и легко может перейти в зону проводимости. Поскольку подобная примесь снабжает полупроводник электронами проводимости, она называется донорной. На языке зонной диаграммы, показанной на рис. 10.5, г, энергетический уровень E_d примеси, с которого происходит переход электрона, находится весьма близко к уровню Е_с (рис. 10.10, а) — энергия АЕ активации (ионизации) примеси составляет всего 0,05 эВ (сравните с 1,1 эВ для валентного электрона). Поэтому даже при комнатной температуре практически все атомы примеси ионизированы, т. е. концентрация свободных электронов того же порядка, что и атомов примеси. В химически чистом веществе она составляет ~10 ³%.

Рис. 10.10.

Для кристалла это означает, что концентрация электронов проводимости (атомов примеси) ~10¹⁷ см" ³. Это приблизительно в 10^/ раз больше, чем концентрация собственных носителей Si при комнатной температуре, т. е. даже в химически чистых кристаллах проводимость в основном определяется примесями. Тем более это относится к природным полупроводникам, у которых процент примесей гораздо выше (в техническом Si —1%). И хотя проводимость даже самого «грязного» полупроводника весьма далека от проводимости металлов, у него есть важная особенность. Отрыв пятого электрона As не приводит к образованию дырки', все четыре связи остаются на месте (см. рис. 10.10, а) и, следовательно, перемещение электрона из занятой связи на свободную невозможно. Вместо дырки образуется ион As⁺, прочно связанный с соседними узлами решетки и потому неспособный стать носителем тока. Отсюда следует, что полупроводник с донорной примесью обладает в основном электронной проводимостью, или проводимостью м-типа (по первой букве negative — отрицательный). Основными носителями в нем являются электроны, концентрация которых много больше, чем концентрация собственных носителей, а неосновными носителями — дырки.

Можно получить и обратное соотношение. Пусть в решетке Si какой-либо атом замещен атомом трехвалентной примеси, например бора (рис. 10.10, б).

У него в химической связи с Si могут участвовать лишь три его валентных электрона, а одна связь Si остается вакантной и потому сравнительно легко может быть заполнена другим валентным электроном Si. Необходимая для этого энергия — всего -0,08 эВ, что также много меньше, чем ?*,. Это означает, что энергетический уровень Е_а> на который приходит электрон, находится вблизи уровня E_v. Уровень^{называют} акцепторным (от лат. acceptare — принимать). Освободившаяся от электрона связь есть дырка, которая может перемещаться в валентной зоне в качестве носителя тока. При этом в отличие от чистого полупроводника ее образование не сопровождается появлением свободного электрона. Вместо него возникает отрицательный ион бора, прочно связанный с соседними атомами Si и поэтому неспособный быть носителем тока. Здесь также уже при комнатных температурах в проводимости участвуют все атомы примеси. Основными носителями такого полупроводника являются дырки, а неосновными — электроны, т. е. он обладает дырочной проводимостью, или проводимостью p-типа (по первой букве positive — положительный).

В природном полупроводнике имеются десятки разных примесей, что приводит к смешанному характеру проводимости. Если же нужен полупроводник п- или p-типа, то добиваются высокой степени очистки базового полупроводника от всех примесей, а затем вводят в него заданную легирующую примесь в требуемой концентрации. Поэтому развитие полупроводниковой электроники потребовало создания весьма трудоемких технологий, обеспечивающих степень очистки материалов до одного атома примеси на 10¹⁰ собственных атомов! Однако эти сложные технологии оказались оправданными благодаря широким возможностям полупроводников, связанным с различием типов проводимости.