Домішкових провідність

Найважливішою особливістю напівпровідників є те, що їх питомий опір може бути зменшено на кілька порядків в результаті введення навіть вельми незначної кількості домішок. Крім власної провідності у напівпровідника виникає домінуюча домішкових провідність. Саме завдяки цьому факту напівпровідникові прилади знайшли настільки широке застосування в науці і техніці.

Припустимо, наприклад, що в розплав кремнію додано трохи пятивалентного миш’яку (As). Після кристалізації розплаву виявляється, що атоми миш’яку займають місця в деяких вузлах сформувалася кристалічної решітки кремнію.

На зовнішньому електронному рівні атома миш’яку є п’ять електронів. Чотири з них утворюють ковалентні зв’язки з найближчими сусідами – атомами кремнію (рис. 3.70). Яка доля п’ятого електрона, що не зайнятого в цих зв’язках? А п’ятого електрон стає вільним! Справа в тому, що енергія зв’язку цього «зайвого» електрона з атомом миш’яку, розташованим в кристалі кремнію, набагато менше енергії зв’язку валентних електронів з атомами кремнію. Тому вже при кімнатній температурі майже всі атоми миш’яку в результаті теплового руху залишаються без п’ятий електрона, перетворюючись на позитивні іони. А кристал кремнію, відповідно, наповнюється вільними електронами, які відчепилися від атомів миш’яку.

Наповнення кристала вільними електронами для нас не новина: ми бачили це і вище, коли нагрівався чистий кремній (без будь-яких домішок). Але зараз ситуація принципово інша: поява вільного електрона, який пішов з атома миш’яку, не супроводжується появою рухомий дірки. Чому? Причина та ж – зв’язок валентних електронів з атомами кремнію набагато міцніше, ніж з атомом миш’яку на п’ятій вакансії, тому електрони сусідніх атомів кремнію і не прагнуть дану вакансію заповнити. Вакансія, таким чином, залишається на місці, вона як би «пріморожена» до атома миш’яку і не бере участі у створенні струму.

Таким чином, впровадження атомів пятивалентного миш’яку в кристалічну решітку кремнію створює електронну провідність, але не призводить до симетричного появи доречний провідності. Головна роль у створенні струму тепер належить вільним електронам, які в даному випадку називаються основними носіями заряду.

Механізм власної провідності, зрозуміло, продовжує працювати і при наявності домішки: ковалентні зв’язки раніше рвуться за рахунок теплового руху, породжуючи вільні електрони й дірки. Але тепер дірок виявляється набагато менше, ніж вільних електронів, які у великій кількості надані атомами миш’яку. Тому дірки в даному випадку будуть неосновними носіями заряду.

Домішки, атоми яких віддають вільні електрони без появи рівної кількості рухливих дірок, називаються донорними. Наприклад, п’ятивалентні миш’як – донорная домішка. При наявності в напівпровіднику донорної домішки основними носіями заряду є вільні електрони, а неосновними – дірки; іншими словами, концентрація вільних електронів набагато перевищує концентрацію дірок. Тому напівпровідники з донорно-ми домішками називаються електронними напівпровідниками, або напівпровідниками п-типа (або просто п-напівпровідниками).

А наскільки, цікаво, концентрація вільних електронів може перевищувати концентрацію дірок в п-напівпровіднику? Давайте проведемо простий розрахунок.

Припустимо, що домішка становить 0,1%, тобто на тисячу атомів кремнію припадає один атом миш’яку. Концентрація атомів кремнію, як ми пам’ятаємо, порядку тисячу двадцять два см-3. Концентрація атомів миш’яку, відповідно, буде в тисячу разів менше: 1 019 см-3. Такий же виявиться і концентрація вільних електронів, відданих домішкою – адже кожен атом миш’яку віддає по електрону. А тепер згадаємо, що концентрація електронно-доручених пар, що з’являються при розривах ковалентних зв’язків кремнію, при кімнатній температурі приблизно дорівнює 1 010 см-3. Відчуваєте різницю? Концентрація вільних електронів в даному випадку більше концентрації дірок на 9 порядків, тобто в мільярд разів! Відповідно, в мільярд разів зменшується питомий опір кремнієвого напівпровідника при введенні настільки невеликої кількості домішки.

Приведений розрахунок показує, що в напівпровідниках п-типу основну роль дійсно відіграє електронна провідність. На тлі настільки колосального переваги чисельності вільних електронів внесок руху дірок в загальну провідність пренебрежимо малий.

Можна, навпаки, створити напівпровідник з переважанням доречний провідності. Що відбувається в цьому випадку? На зовнішньому електронному рівні атома індію розташовані три електрона, які формують ковалентні зв’язки з трьома оточуючими атомами кремнію. Для четвертого сусіднього атома кремнію у атома індію вже не вистачає електрона, і в цьому місці виникає дірка.

І дірка ця не проста, а особлива – з вельми великою енергією зв’язку. Коли в неї потрапить електрон із сусіднього атома кремнію, він у ній «застрягне навіки», бо притягання електрона до атома індію вельми велике – більше, ніж до атомів кремнію. Атом індію перетвориться на негативний іон, а в тому місці, звідки електрон прийшов, виникне дірка – але тепер уже звичайна рухлива дірка у вигляді розірваної ковалентного зв’язку в кристалічній решітці кремнію. Ця дірка звичайним чином почне блукати по кристалу за рахунок «естафетної» передачі валентних електронів від одного атома кремнію до іншого.

Отже, кожен домішковий атом індію породжує дірку, але не призводить до симетричного появи вільного електрона. Такі домішки, атоми яких захоплюють «намертво» електрони і тим самим створюють в кристалі рухливу дірку, називаються акцепторними. Тривалентний індій – приклад акцепторнійдомішки.

Якщо в кристал чистого кремнію ввести акцепторну домішка, то число дірок, породжених домішкою, буде набагато більше числа вільних електронів, що виникли за рахунок розриву ковалентних зв’язків між атомами кремнію. Напівпровідник з акцепторною домішкою – це дірковий напівпровідник, або напівпровідник p-типу (або просто p-напівпровідник).

Дірки відіграють головну роль при створенні струму в p-напівпровіднику; дірки – основні носії заряду. Вільні електрони – неосновні носії заряду в p-напівпровіднику. Рух вільних електронів в даному випадку не вносить істотного внеску: електричний струм забезпечується в першу чергу доречнийпровідністю.

Посилання на основну публікацію