Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 124
Текст из файла (страница 124)
В результате для каждой температуры устанавливается определенная равновесная концентрация электронов н дырок, изменяющаяся с температурой пропорционально выражению (242.4). 2 243. Примесная проводимость полупроводников Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесиой проводимостью, а сами полупроводники— примеснымн полупроводннкамн. Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов (по сравнению са стехнометрическим составом), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т.
д.) дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат.% бора ега проводимость увеличивается примерно в 10л раз. Примесную проводимость полупроводников рассмотрим иа примере Ое и БЕ в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов иа единицу. Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 319, п) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен ат атома, т. е. стать свободным.
Обра- Г л а а э 31. Элементы Физики твердого тела 391 еэ а) Рис. 21В ч1 Рмс. 32О зование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи; следовательно, в отличие от случая, рассмотренного в $242, дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может. С точки зрения ванной теории рассмотренный процесс можно представить следу. ющим образом (рис. 319, б). Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня О валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германии с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ЛЕэ=0 013 эВ.
Так как АЕэ(йТ, то уже прн обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примеснаго уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют. Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой но еди- нину больше валентности основных атомов, носителями токо являются электроны; возникает электронная примеснаи проводимость (проводимость и-типа).
Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками и-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями. Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 320, о).
Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т. е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избыточны» же отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с ато- 6.
Элементы квантовой физики 392 юоиов, молекул и твердых тел мом примеси и по решетке перемещаться не может. По зониой теории, введение трехвалентной примеси в решетку кремния приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня А, не занятого электронами. В случае кремния с примесью бара этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии ЛЕл — — 0,08 эВ (рис 320, б). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валеитной зоны переходят на примесиые уровни и, связываясь с атомами бора теряют способность перемещаться по решетке кремния, т е, в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.
Таким образом, в полупроводниках с примесью, валвнтность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока лвллюгсл дгирки; возникает дырочная проводимость (проводимость р-типа). Полупроводники с такой проводимостью называютсн дырочными (или полупроводниками р-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровннмн.
В отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака. электронами — в случае донорной примеси, дырками — в случае акцепторной. Эти носители тока называются основными. Кроме основных носителей в полупроводнике имеются и неосновные носители: в полупроводниках и-типа -- дырки, в полупроводниках р-типа — электроны. Наличие приметных уровней в полупроводниках существенно изменяет положение уровня Ферми Ею Расчеты показывают, что в случае полупроводников и-типа уровень Ферми Ен прн 0 К расположен о посередине между дном эоны проводимости и донорным уровнеч (рис.
321). С по- Рис. 321 вышением температуры все большее число электронов переходит из донорных состояний в зону проводимости, но, помимо этого, возрастает и число тепловых флуктуаций, способных возбуждать электроны из валентной эоны и перебрасывать их через запрещенную зону энергий. Поэтому при высоких температурах уровень Ферми имев~ тенденцию смешаться вниз (сплошная кривая) к своему предельному положению в центре запрещенной зоны, характерному для собственного полупроводника. Уровень Ферми в полупроводниках р-типа при 0 К Е„ располагается посередине между потолком валентной зоны и акцепториым уровнем (рис, 322). Сплошная кривая опять-таки показывает его смещение с температурой. При температурах, при которых примесные а~омы Ел а т Рис, 322 Г л а а а 3(. Элементы Физики твердого тела (р р) Рис.
324 Рис. 323 оказываются полностью истощенными и увеличение концентрации носителей происходит за счет возбуждения собственных носителей, уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны, как в соб. отвеинам полупроводнике. Проводимость прнмесного полупроводника, как и проводимость любого проводника, определяется концентрацией носителей и их подвижностью. С изменением температуры подвижность носителей меняется по сравнительно слабому степенному закону, а концентрация иосителей— по очень сильному экспоненциальному закону, поэтому зависимость проводимости примесных полупроводников от температуры определяется в основном температурной зависимостью концентрации носителей тока в нем.
На рнс. 323 дан примерный график зависимости (и у от (/Т для примесных полупроводников. Участок АВ описывает примесную проводимость полупроводкика. Рост примесной проводимости полупроводника с повышением температуры обусловлен в основном ростом концентрации примесных носителей. Участок ВС соответствует области истощения примесей (это подтверждают и эксперименты), участок С0 описывает собственную проводимость полупроводника. й 244. Фотаправодимость полупроводников Фотапроводимость (см. 4 202) полупроводников — увеличение электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения — может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника, т. е.
когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (Ич> > ХЕ), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 324, р), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная как электронами, так и дырками. Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать и прн Ич- ЛЕ: для полупроводников с донарной примесью фотон должен обладать энергией Ич » ЛЕр, а для полупроводников с акцептарной примесью — Ич»ЛЕ4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
