ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

А пытливый ум ученика задаст вопрос: А что это так часто в предыдущем материале повторяется слово "чистые"? А, если полупроводники не чистые?
Примеси в чистом полупроводнике могут сильно влиять на его свойства. Например, при введении в кремний примерно 0,001 % атомов бора, проводимость кремния увеличивается примерно в 10⁶ раз! Примеси позволяют получать необычные электронные эффекты, широко используемые сегодня в технике. Мы начнём с наиболее простого случая, когда к четырёхвалентному германию Ge"подмешивают" немного атомов трёхвалентного индия In, или пятивалентного мышьяка As. Сам процесс поиска этих легирующих добавок чрезвычайно интересен, но и технологии внедрения в кристалл примесей тоже весьма разнообразны и неординарны. Любители химии, не хотите ли шагнуть на передний край науки, выбрав в Вузе соответствующую специальность?

1. Добавим к атомам германия небольшое количество атомов мышьяка. Четыре из пяти валентных электронов мышьяка идут на образование ковалентной связи с соседними четырьмя атомами германия, а пятому не повезло, он остался один. Введение примеси искажает поле кристаллической решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетических уровней пятых электронов мышьяка. В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ΔЕ_D = 0,013 эВ (рис 7). Так как эта ΔЕ_D < kT, то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют.
Запомните, что как называют. В полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, основными носителями заряда являются электроны; возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами.
Вместе с тем, полупроводники есть полупроводники и процессы генерации небольшого количества собственных электронов и дырок никуда не исчез. Если такой полупроводник подключить к источнику тока, то в нём возникнет электрический ток за счёт основных носителей зарядов - электронов (эп) донорной примеси, а также неосновных носителей - электронов (эс) и дырок (дс): I = I_эп + I_эс + I_дс.
На рис. 7 мы видим, что при введении донорной примеси в чистый полупроводник чуть ниже по энергии зоны проводимости появляются дополнительные подуровни для пятых электронов примеси. Напоминаем, по вертикали отложена энергия электронов, а не расстояние до ядра. Поскольку атомы примеси малочисленны, то уровни эти не объединены в общую зону, а привязаны к своим атомам. Их отстояние от зоны проводимости так мало, что в подавляющем большинстве электроны с этих примесных уровней легко переходят в зону проводимости, становясь свободными (найдите их на рисунке 8), и могут участвовать в переносе заряда и образовании электрического тока. При этом дырок не образуется, ибо эти электроны не образуют ковалентную связь. Параллельно с этим происходит генерация тепловых электронов и дырок, а также обратный процесс их рекомбинации (сумейте это подробно разглядеть на рис. 8).
На рисунке 9. мы видим, что при включении электрического поля в примесном полупроводнике донорного типа основной ток создаётся примесными электронами (основные носители заряда, изображены черными тосками), а также в малой степени тепловыми дырками (не основными носителями заряда, изображены выколотыми точками). Для упрощения мы не стали изображать поток электронов в подводящих проводах, но это не значит, что в них тока нет. Также мы упрощённо изобразили перемещение дырок (на самом деле перемещение дырок есть результат перескока электронов от дырки к дырке, как мы видели раньше). Не основные носители рождаются спонтанно, а основные не рождаются, они уже есть из-за наличия приммесей.

2. Добавим к атомам германия небольшое количество атомов индия. Три валентных электрона индия идут на образование ковалентной связи с соседними тремя атомами германия, а для четвертой связи не хватило одного электрона - у индия их всего три. Введение трехвалентной примеси в решетку германия приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня, не занятого электронами. В случае германия с примесью индия этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии ΔЕ_А =0,08 эВ (рис. 10). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами индия, теряют способность перемещаться по решетке германия, т. е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне. Эти носители тока называются основными. Не забудем, кроме основных носителей в полупроводнике, конечно, имеются и неосновные носители: I = I_дп + I_эс + I_дс.
Запомните, что как называют. В полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомом, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проводимость р-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками р-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами.
На рис.10 мы видим, что чуть выше валентной зоны появляются подуровни для четвёртыз электронов примеси, но поскольку этих четвёртых нет в природе акцепторной примеси, то они остаются незаполненными, образуются дырки. Место для электронов есть, а электронов на них нет). Поскольку эти уровни лежат близко к валентной зоне, электронам из неё не стоит труда перескочить выше, заняв свободные места на примесных уровнях. Но тогда на их старом месте образуется новая дырка.
И хотя дырки, как мы уже знаем, привязаны к своим атомам также, как электроны, находящиеся на примесных уровнях, мы также помним, что дырки могут виртуально перемещаться за счёт перескока электронов от дырки к дырке, ведь это почти не требует дополнительной энергии.
На рис 11 сумейте понять, что с ними происходит, соотнеся описанные выше процессы с событиями на рисунке, где работают примесные уровни, а где генерация - рекомбинация под действием температуры.
Заметим, электроны на примесных уровнях никуда сдвинуться не могут, разве что опуститься по энергии вниз, рекомбинируя с подвернувшейся дыркой.
Так образуется дырочный ток в акцепторном проводнике (см. рис. 12). Перемещение дырок здесь ещё раз показано подробно, как рождение новой пары дырка-электрон и заполнение старой дырки на пути движения электрона. Перескакивая от одной дырки к другой, электрон движется в одну сторону, а дырка как бы в другую. Неосновные носители, возникающие из-за теплового движения атомов в небольшом количестве, также участвуют в переносе электрического заряда.

Напоследок глоссарий для точного понимания и правильного словоупотребления.
Дырка — это способ описания коллективного движения большого числа электронов в не полностью заполненной валентной зоне.
Электрон — это частица, дырка — это квазичастица. Электрон можно инжектировать (реально добыть) из полупроводника или металла наружу (например, с помощью фотоэффекта), дырка же может существовать только внутри полупроводника.
Легирование — введение примеси в полупроводник, в этом случае полупроводник называется примесным.


Счастливых открытий!

А к чему это всё?, Ну, примеси, ну, проводимость... А вот тут-то и начинается самое интересное. Ищите его на следующей странице!. А пока проверьте себя, как вы усвоили тему. Правильные ответы будут отмечены зелёной птичкой, а неправильные красным крестиком, когда вы в конце нажмёте кнопку "Отвечаю". Дробные числа вводятся через точку.