Домішкова провідність напівпровідників

Власна провідність напівпровідників зазвичай невелика, так як число вільних електронів, наприклад, в германии при кімнатній температурі близько 3 – 1013 см-3. У той же час число атомів германію в 1 см3 ~ 1023. Провідність напівпровідників збільшується з введенням домішок, коли поряд з власною провідністю виникає додаткова домішкова провідність.

Примесной провідністю напівпровідників називається провідність, обумовлена наявністю домішок в напівпровіднику.

Домішковими центрами можуть бути:
    Атоми або іони хімічних елементів, впроваджені в грати напівпровідника; Надлишкові атоми або іони, впроваджені в міжвузля решітки;
    різного роду інші дефекти і спотворення в кристалічній решітці: Порожні вузли, тріщини, зрушення, що виникають при деформаціях кристалів, та ін.

Змінюючи концентрацію домішок, можна значно збільшувати число носіїв зарядів того чи іншого знака і створювати напівпровідники з переважною концентрацією або негативно, або позитивно заряджених носіїв.

Домішки можна розділити на донорні (що віддають) і акцепторні (приймаючі).

Розглянемо механізм електропровідності напівпровідника з донорной пятивалентной домішкою миш’яку As5 +, яку вводять в кристал, наприклад, кремнію. Пятивалентного атом миш’яку віддає чотири валентних електрони на освіту ковалентних зв’язків, а п’ятий електрон виявляється незайнятим в цих зв’язках (рис. 1).

Енергія відриву (енергія іонізації) п’ятого валентного електрона миш’яку в кремнії дорівнює 0,05 еВ = 0,08 – 10-19 Дж, що в 20 разів менше енергії відриву електрона від атома кремнію. Тому вже при кімнатній температурі майже всі атоми миш’яку втрачають один зі своїх електронів і стають позитивними іонами. Позитивні іони миш’яку не можуть захопити електрони сусідніх атомів, так як всі чотири зв’язку у них вже укомплектовані електронами. У цьому разі переміщення електронної вакансії – “дірки” не відбувається і дірковий провідність дуже мала, тобто практично відсутня. Невелика частина власних атомів напівпровідника іонізована, і частина струму утворюється дірками, тобто донорні домішки – це домішки, які постачають електрони провідності без виникнення рівної кількості рухливих дірок. В результаті ми отримуємо напівпровідник з переважно електронною провідністю, званий полупроводником n-типу.

У разі акцепторнійдомішки, наприклад, тривалентного індію In3 + атом домішки може дати свої три електрони для здійснення ковалентного зв’язку тільки з трьома сусідніми атомами кремнію, а одного електрона “бракує” (рис. 2). Один з електронів сусідніх атомів кремнію може заповнити цей зв’язок, тоді атом In стане нерухомим негативним іоном, а на місці пішов від одного з атомів кремнію електрона утворюється дірка. Акцепторні домішки, захоплюючи електрони і створюючи тим самим рухливі дірки, не збільшують при цьому числа електронів провідності. Основні носії заряду в напівпровіднику з акцепторною домішкою – дірки, а неосновні – електрони.

Напівпровідники, у яких концентрація дірок перевищує концентрацію електронів провідності, називаються напівпровідниками р-типу.

Необхідно відзначити, що введення домішок в напівпровідники, як і в будь-яких металах, порушує будову кристалічної решітки і ускладнює рух електронів. Однак опір не збільшується через те, що збільшення концентрації носіїв зарядів значно зменшує опір. Так, введення домішки бору в кількості 1 атом на сто тисяч атомів кремнію зменшує питомий електричний опір кремнію приблизно в тисячу разів, а домішка одного атома індію на 108 – 109 атомів германію зменшує питомий електричний опір германію в мільйони разів.

Можливість управління питомим опором завдяки введенню домішок використовується в напівпровідникових приладах.

Дірковий провідність не є винятковою особливістю напівпровідників. У деяких металів та їх сплавів існує змішана електронно-дірковий провідність за рахунок переміщень деякої частини неколлектівірованних валентних електронів. Наприклад, в цинку, берилію, кадмію, сплавах міді з оловом діркова складова електричного струму переважає над електронною.

Якщо в напівпровідник одночасно вводяться і донорні і акцепторні домішки, то характер провідності (n – або p-тип) визначається домішкою з більш високою концентрацією носіїв струму – електронів чи дірок.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 3.00 out of 5)

Домішкова провідність напівпровідників