Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводниковДля регулирования электрических свойств полупроводниковых материалов применяют легирование (загрязнение) чистых полупроводников атомами других сортов в строго определенных количествах. Доля атомов примеси составляет от 10-12 до 10-6. При легировании германия и кремния используют атомы веществ, находящихся в третьей или в пятой колонке таблицы Менделеева. Уровни энергии электронов в поле ядер, заряды которых отличаются на от зарядов ядер Si и Ge располагаются соответственно немного глубже (для +1) или менее глубоко (для –1). Это связано с большим или меньшим «эффективным зарядом ядра» атома примеси. Напомним, что внутренние электроны атома экранируют заряд ядра для внешних электронов. Атомы, находящиеся в таблице Менделеева в одной колонке, имеют близкие химические свойства, которые определяются электронами внешней незаполненной оболочки. 

Чтобы на качественном уровне объяснить, что происходит в полупроводниковых материалах при легировании, воспользуемся рисунками, на которых сплошными черными линиями изображены зависимости потенциальной энергии электронов в электрическом поле, созданном положительно заряженными ядрами атомов. Линия, для которой нарисована эта зависимость проходит через ядра атомов, расположенных вдоль нее. Рисунки не претендуют на точность. Потенциальная энергия отрицательна. Горизонтальные сплошные черные линии показывают нулевой уровень энергии. Среди атомов одного сорта с зарядом ядра Z попадаются и атомы примеси.

Для атома с зарядом ядра (Z-1) верхний энергетический уровень (Е1) заполнен только тремя электронами и имеется одно свободное место. Его энергия немного больше, чем энергия верхнего энергетического уровня валентной зоны атомов с зарядом ядра Z (Е0).

Для атома с зарядом ядра (Z+1) заполнены все «места» на уровне Е5, и один электрон находится на более высоком энергетическом уровне Е2. Этот уровень расположен ниже, чем нижний энергетический уровень в зоне проводимости атомов с зарядом ядра Z (Е3).

Вследствие теплового движения электроны могут занимать более высокие уровни энергии. Поэтому на уровень энергии Е1 (в атоме с зарядом ядра (Z-1)) может перебраться (с уровня вблизи Е0) один из электронов с соседних атомов, высвободив одну «дырку». Электроны с уровня энергии Е2 легко перебираются на уровни с энергией Е3. Разница в энергиях (Е1 — Е0) и (Е3 — Е2) значительно меньше величины (Е3 — Е0), поэтому уже при совсем небольших температурах ( 100К) практически все уровни Е1 оказываются заселенными, а все уровни Е2 покинуты электронами. Проводимость, которую обеспечивают электроны и дырки, возникшие в полупроводнике вследствие наличия примесей, называется примесной.

Уровни энергии примесных атомов Е4 и Е5 попадают внутрь зоны проводимости или валентной зоны соответственно, и поэтому интереса не представляют. Уровни Е6 и Е7 нарисованы для полноты картины.

Если кремний или германий легированы атомами из 5 колонки таблицы Менделеева (мышьяком As, сурьмой Sb), то примесная проводимость осуществляется отрицательно заряженными электронами в зоне проводимости. Такие материалы называются полупроводниками «n-типа» от слова negative, а примесь называется донорной.

Если же в качестве примеси используются атомы 3 колонки — галлий Ga или индий In, то примесная проводимость осуществляется дырками (положительный заряд) в валентной зоне. Такие материалы называются полупроводниками «р-типа» от слова positive, а примесь называется акцепторной.

Для легирования полупроводников А3В5 , например, такого полупроводникового материала, как арсенид галлия, используются атомы второй (акцепторы электронов) и шестой (доноры электронов) колонки таблицы Менделеева.