 |
а б в
Рис. 8.1. Ковалентные связи в собственном кремнии (а),
легированном фосфором (б) и бором (в).
время “лишний” электрон в связи P-Si уже способен оторваться от своего “хозяина” - атома P, то он становится свободным, т. е. электрон попадает в зону проводимости. Этот процесс аналогичен процессу собственного возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости. Но только теперь поставщиком электронов проводимости являются атомы примеси V группы, которые при этом превращаются в положительно заряженные ионы. Очень важное и определяющее свойство данного процесса состоит в том, что дополнительных дырок, помимо собственных, в валентной зоне не появляется. Таким образом мы можем получить избыток электронов в зоне проводимости над собственными дырками в валентной зоне. Примеси (и любые другие дефекты решетки), легко отдающие электроны в зону проводимости, называются донорами. Полупроводник, содержащий донорную примесь, называют полупроводником n-типа, или электронным.
Теперь рассмотрим процессы, происходящие при замещении атома Si атомом III группы, например, бором (рис. 8.1,в). Три валентных электрона бора образуют связи с тремя соседями в решетке, а на четвертой связи B-Si не хватает электрона, т. е. образуется “дырка”. Таким образом, недостаток электрона на связи эквивалентен образованию дырки в валентной зоне. Силами кулоновского притяжения дырка удерживается атомом бора. При этом энергетический барьер для разрыва соседней связи Si-Si намного понижается по сравнению с тем, если бы рядом примесного атома не было. Электрон от соседней связи Si-Si легко может перейти на пустое место в связи B-Si, и тогда атом B превратится в отрицательно заряженный ион. В результате таких переходов электронов от собственных атомов решетки к примесным в валентной зоне появится избыток свободных дырок по сравнению с собственными электронами в зоне проводимости. Примеси, сравнительно легко притягивающие электроны валентной зоны, называются акцепторами. Полупроводник, содержащий акцепторную примесь, называют полупроводником p-типа, или дырочным.
Проводимость, обусловленная электронами или дырками, возбужденными с доноров или акцепторов, называется примесной. Если преобладают примеси донорного типа, то число электронов в зоне проводимости гораздо больше числа дырок в валентной зоне (n > p). Электроны в этом случае называются основными носителями, а дырки - неосновными носителями. В случае преобладания акцепторов основными носителями будут дырки, а электроны - неосновными (p > n). Неосновные носители, как мы увидим в дальнейшем, ответственны за работу важнейшего полупроводникового прибора - биполярного транзистора, а основные носители - за работу полевого транзистора.
Где должны находиться дополнительные энергетические электронные уровни, обусловленные донорами и акцепторами? Из общих физических соображений ясно, что в случае примесей V группы в кремнии и германии пятый электрон должен находиться в более высоком энергетическом состоянии, чем электроны, образующие валентные связи, т. е. принадлежащие валентной зоне. С другой стороны, поскольку этот электрон связан с примесным атомом, его энергия должна быть ниже края зоны проводимости. Иными словами, дополнительный электронный уровень донорной примеси должен находиться в запрещенной зоне. То же относится и к акцепторному уровню.
Энергию ионизации (связи) пятого электрона донорной примеси - фосфора, т.е. энергию, требуемую для удаления его от атома P и перевода в зону проводимости можно оценить, если обратить внимание на аналогию этой задачи с задачей об ионизации атома водорода. Различие заключается в том, что в первом случае электрон вращается по орбите вокруг атома Р в кристалле, и необходимо учесть влияние решетки. Поскольку электрон достаточно слабо связан с атомом фосфора, орбита его охватывает много атомов решетки кремния, которую можно поэтому в хорошем приближении рассматривать как сплошную среду с диэлектрической проницаемостью e.. В таком случае поляризующее влияние решетки сводится к тому, что сила притяжения электрона атомом Р будет в e раз меньше.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.