7.2.2. Примесные полупроводники

Электрические свойства почти всех собственных полупроводников могут быть видоизменены добавкой небольших количеств примесей. В частности, примеси могут создать избыток электронов (-тип) или дырок (р-тип). До тех пор пока концентрация примеси не слишком велика, произведение концентраций электронов и дырок остается не зависящим от уровня легирования

Это означает, что в легированном материале имеются основные носители (свободные электроны в материале n-типа и дырки в материале -типа) и неосновные носители (дырки в n-типе и свободные

Рис. 7.4. Диаграммы от ее для двух четверных соединений. Затененная область соответствует непрямозонным материалам: а штриховые линии указывают область энергий запрещенной зоны, которые могут быть получены в четверных соединениях при согласовании с решеткой подложки заштрихованная область не может быть реализована вследствие несмешиваемости компонентов

электроные -типе). Такие материалы известны как примесные полупроводники контролируемой примесью. В этих материалах концентрация примеси настолько высока, что она, а не температура, является основным фактором, определяющим число свободных носителей и, следовательно, электрическую проводимость. Схемы энергетических уровней для примесных полупроводников n-типа и -типа показаны на рис. 7.5.

Полупроводники IV группы — могут стать полупроводниками -типа после введения небольших концентраций донорных примесей элементов V группы — или As. Они же могут стать полупроводниками -типа в результате введения акцепторных примесей — элементов III группы — В или Ga.

Такие полупроводниковые соединения могут стать полупроводниками -типа в результате замещения некоторых атомов V группы атомами VI группы (например, Те) или замещением элементов III группы на или Sn. Они могут стать полупроводниками -типа в результате замещения атомов III группы двухвалентными атомами, такими как Zn или Cd, а также или Sn вместо атомов V группы. Атомы IV группы могут стать или донорами, или акцепторами в полупроводниках. Они известны как амфотерные примеси.

Во многих полупроводниковых материалах одновременно присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси, и материал становится полупроводником -типа или -типа в зависимости от того, концентрация какой из примесей выше. Если концентрации точно сбалансированы, полупроводник называют компенсированным.

На рис. 7.5 показано, что примесь n-типа создает локализованный энергетический уровень непосредственно под При этом обычно он лежит значительно выше поэтому почти все доноры ионизируются. Однако вследствие возрастания концентрации свободных электронов повышается положение уровня Ферми внутри запрещенной зоны. Напротив, примесь -типа приводит к появлению локализованного энергетического уровня внутри запрещенной зоны вблизи Этот акцепторный уровень находится значительно ниже и обычно заселен

Рис. 7.5. (см. скан) Диаграмма энергии электронов для примесных полупроводников: а — полупроводник -типа, в котором почти все донорные примеси ионизованы; полупроводник -типа, в котором почти все акцепторные уровни заняты электронами, возбуждаемыми из валентной зоны

электронами, возбужденными из валентной зоны. Увеличение населенности дырок ведет к снижению уровня Ферми.

Концентрация примеси в обычно не превышает полупроводниках достигается значительно более высокий уровень легирования. При этом наблюдаются три важных эффекта. Во-первых, примесные уровни взаимодействуют с другими уровнями, в результате чего они размазываются и могут слиться с краем зоны. Во-вторых, происходит возмущение края зоны, что приводит к образованию «хвоста». В результате этого сужается запрещенная зона. Наконец, уровень Ферми поднимается в зону проводимости в материале -типа или снижается в валентную зону в материале -типа. Такой полупроводник называется вырожденным. Эти эффекты будут подробно обсуждаться в § 8.2.