17-2. Примесная электропроводность полупроводников

Свойства полупроводника можно изменить, внеся в него ничтожное количество примеси. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание количества свободных электронов над дырками, или, наоборот, преобладание количества дырок над свободными электронами.

Например, при внесении в основное вещество примесей путем замещения в кристаллической решетке атома германия атомом мышьяка, имеющим пять валентных электронов, четыре электрона мышьяка образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон, слабо связанный с атомом мышьяка, превратится в свободный (рис. 17-2, а). Поэтому примесь мышьяка увеличивает электронную проводимость.

При замещении атома германия атомом индия, имеющим три валентных электрона, они вступят в ковалентную связь с тремя атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать, так как у индия нет четвертого электрона (рис. 17-2, б). Восстановление всех связей возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая может быть заполнена электроном из соседнего атома германия. Процесс последовательного заполнения свободной связи эквивалентен движению дырок в полупроводнике.

Таким образом, примесь индия повышает дырочную проводимость кристалла германия.

Полупроводники с преобладанием электронной проводимости называются полупроводниками типа (от латинского слова negative — отрицательный), а полупроводники с преобладанием дырочной проводимости — типа (от латинского positive — положительный). Носители заряда, определяющие собой вид проводимости в примесном полупроводнике, называются основными (электроны в -полупроводнике или дырки в -полупроводнике), а носители заряда противоположного знака — не основными.

Рис. 17-2. Искрения кристаллической решетки полупроводника: а — донорная примесь (мышьяк); б— акцепторная примесь (индий).

Примеси, вызывающие преобладание электронной проводимости, т. е. такие, у которых валентных электронов больше, чем у атома данного полупроводника, называются донорными. Примеси, вызывающие преобладание дырочной проводимости, т. е. примеси с меньшим числом валентных электронов в атоме по сравнению с атомом данного полупроводника, называются акцепторными. Донорной примесью для германия являются, например, мышьяк, сурьма, фосфор, - а акцепторной — индий, галлий, алюминий и др.

В зависимости от процентного содержания примеси проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с собственной проводимостью полупроводника в десятки и сотни тысяч раз. Например, если в нормальных условиях в 1 см3 чистого германия содержится примерно атомов и электронов проводимости и дырок, то примесь мышьяка в количестве 0,001% вызовет появление в том же объеме дополнительно электронов проводимости, которые обеспечат увеличение электронной проводимости примерно в 10 000 раз.