ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Примеси (как и некоторые виды дефектов) могут очень сильно влиять на электрические свойства полупроводников. Например, добавление бора в кремний в количестве 10~5 атомных частей увеличивает проводимость в 1000 раз по сравнению с чистым кремнием (при комнатной температуре). Полупроводники с примесями называются примесными. Рассмотрим влияние примесей на полупроводники Ие и ві, которые образуют решетку типа алмаза.

В такой структуре каждый атом обладает четырьмя ковалентными связями, так что у каждого атома — 4 ближайших соседа. Если добавить примесный атом с валентностью 5 (Р, Ав, ЭЬ), то один валентный электрон оказывается «лишним», он теряется, атом Ая становится положительно заряженным. Такие примеси называются донорными. Схематически это показано на рис. 4.2. Если же в качестве примеси ввести трехвалентные атомы (В, А1, Иа, 1п), то, наоборот, одна связь оказывается «пустой» и может легко заполниться электроном. Такие атомы называются акцепторными.

Рис. 4.2

Примесные атомы и энергетические схемы: а — пятивалентный мышьяк; б — трехвалентный индий в решетке германия.

Избыточный электрон донорного атома движется в создаваемом примесным атомом кулоновском поле с потенциалом —, где є — статическая диэлектрическая прони- ег

цаемость кристалла. Учитывать влияние среды на потенциал взаимодействия через е можно только в том случае, если орбита электрона много больше расстояния между атомами (при этом не сказывается движение внутренних электронов). Как следует из приведенных оценок, такая ситуация действительно имеет место.

Оценим энергию возникающего уровня, т. е. вычислим энергию связи электрона с примесным атомом — донором. Рассмотрим примесный атом как изолированный и используем боровскую теорию водородоподобного атома, заменив т на т*, учитывая диэлектрическую проницаемость среды. Сделаем численные оценки для Се, у которого гп = 0,12т, е = 16. В водородоподобном атоме заряда Z= 1 энергия и радиус орбиты определяются следующими соотношениями:

Видно, что радиус первой орбиты много больше межатомного расстояния, а энергия связи много меньше ширины запрещенной зоны (щели), которая в полупроводниках составляет до 2-3 эВ(в германии она равна 0,7 эВ), т. е.

донорный уровень расположен в запрещенной зоне очень близко к дну зоны проводимости. Аналогично, акцепторный уровень располагается вблизи дна запрещенной зоны. Примесные уровни относятся к так называемым локальным энергетическим уровням электронов в кристалле. Известны и другие разновидности локальных уровней (поверхностные, «уровни прилипания»).

Рассмотрим вопрос о расположении уровня Ферми в примесных полупроводниках на примере полупроводника (/г-типа). Донорный уровень в таком полупроводнике расположен вблизи дна зоны проводимости. Это означает, что электроны попадают в зону проводимости преимущественно за счет переходов с примесного уровня, и фактически такой полупроводник будет вести себя так, как будто ширина его запрещенной зоны равна энергии донорного уровня Еа, отсчитанной от дна зоны проводимости (рис. 4.3).

Таким образом, при Т - 0 уровень Ферми будет равен Е

—Температурную зависимость энергии Ферми можно

объяснить следующим образом. С повышением температуры по мере истощения носителей, имеющихся на примесном уровне, все большую роль будет играть собственная проводимость полупроводника, определяемая переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости, и уровень Ферми при малой концентрации примесей в результате опустится до значения

Д

2’

как это имеет место в

Рис. 4.3

Зависимость энергии Ферми ЕР от температуры для полупроводника п-типа

т,к

беспримесном полупроводнике. Аналогично у полупроводников р-типа уровень Ферми при нуле-

Еа .

вой температуре равен —1— (где

2

Еа — энергия акцепторного уровня, отсчитанная от дна зоны проводимости), и по мере увеличения температуры он будет увелиД

2'

чиваться до

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >