Примесные полупроводники

Отделение возбужденного электрона от иона обычно проходит легче в легированном полупроводнике. Под легированием понимают введение в структуру решетки природного полупроводника примесных атомов различных элементов, содержащих по сравнению с атомами основного материала большее или меньшее количество валентных электронов. Примесные атомы вводятся в объем полупроводника, например, путем диффузии, которая возникает при контакте соответствующих материалов в условиях повышенной температуры. Поясним это на конкретном примере.

На самой удаленной от ядра орбите полупроводникового кремния содержится четыре валентных электрона. В кристалле эти электроны соединены с электронами четырех соседних атомов так называемой ковалентной связью. В такой связи участвуют по одному из валентых электронов пары смежных атомов. В результате кристаллическая решетка имеет специфическую форму (ее можно наблюдать по очертаниям большого кристалла). Мы не можем дать ее точное пространственное изображение и проследить все связи электронов, однако схематически ее можно представить, как показано на рис. 69.

Рис. 69. Электронная структура легированного кремния: а - чистый кремний; б - кремний, легирозанный мышьяком (полупроводник n-типа); в - кремний, легированный бором (полупроводник p-типа)

Итак, в кристалл кремния без существенного искажения его решетки можно ввести небольшое количество примесных элементов, атомы которых имеют по 3-5 валентных электронов. При незначительных различиях в размерах атомов допустимая концентрация примесей может достигать одной миллионной доли от общего объема основного кристалла. Если примесным элементом является мышьяк, то его атомы в кристаллической решетке занимают те же положения, что и атомы кремния, но они имеют по одному лишнему электрону. Этому электрону не нужна валентная связь. Его можно рассматривать как свободный носитель отрицательного заряда. Кристалл в целом остается электрически нейтральным, поскольку отрицательный заряд каждого свободного электрона уравновешивается соответствующим положительным зарядом ядра примесного атома, положение которого в решетке определяется его связями. Легированный таким образом материал называется полупроводником n-типа; это означает, что его свободные носители заряда имеют отрицательный (negative) знак.

Если вместо мышьяка в качестве примесных элементов использовать бор или алюминий, то их атомы, имеющие только три валентных электрона, также вписываются в кристаллическую решетку кремния. Однако теперь число электронов оказывается недостаточным для образования прежних связей. Место, которое за отсутствием электрона остается вакантным, называется дыркой. В дальнейшем электрон, появившейся вблизи дырки, может заполнить недостающую связь. При этом энергия электрона не изменяется. Перемещаясь, электрон нарушает ближайшую связь, оставляя там дырку. Такой процесс сводится к обмену положениями между электроном и дыркой. В обычном состоянии валентные зоны такого кристалла заполнены электронами, но наблюдаем мы лишь дырки. Когда электрон стремится занять место дырки, создается впечатление, что дырка перемещается в противоположном направлении, поэтому для такого вещества в целом характерно свободное перемещение дырок. Электрон, занимающий место дырки, делает это лишь однократно и затем фиксируется там, тогда как дырка перемещается непрерывно, занимая последовательно освобождаемые электронами места. По отношению к остальной части кристалла дырка соответствует недостающему в данном месте отрицательно заряженному электрону и ведет себя подобно носителю положительного заряда. Так и условились считать дырки носителями положительного заряда, а легированный таким образом материал - полупроводником p-типа (positive). Как и прежде, кристалл в целом остается электрически нейтральным, поскольку ядра примесных атомов, занявших положения основных атомов кристалла, несут меньший положительный заряд, дефицит которого восполняется свободными дырками.

Хотя доля примесных атомов в легированных полупроводниках очень мала, но число создаваемых ими свободных носителей заряда в условиях обычных температур оказывается значительно больше, чем при облучении кристалла светом или при его нагревании, Поэтому носители заряда, обусловленные легирующими примесями, называют основными носителями в отличие от неосновных носителей, появляющихся при воздействии радиации или повышении температуры.

Итак, легированные полупроводники n-типа имеют фиксированные положительные и свободные отрицательные заряды, а p-типа, наоборот, имеют фиксированные отрицательные и свободные положительные заряды. В то же время в полупроводниках обоих типов могут присутствовать неосновные носители, возникшие в результате радиационного или теплового воздействия. До сих пор к категории носителей мы относили только электроны. Если электрон получает энергию, достаточную, чтобы перескочить запрещенную зону и покинуть пределы атома, то в результате на его месте возникает дырка. Таким образом, в этом случае и электрон, и дырка могут свободно перемещаться.

Прежде чем рассматривать вопрос об использовании этих свойств полупроводников в преобразователях энергии, необходимо исследовать влияние легирования на положение уровня Ферми. Этот уровень (см. рис. 57) соответствует такому значению энергии, при котором с повышением температуры увеличение числа электронов, имеющих энергию выше уровня Ферми, равно уменьшению числа электронов, энергия которых ниже этого уровня. Итак, в собственном (нелегированном) полупроводнике при низких температурах все электроны находятся в валентной зоне, заполняя ее энергетические уровни. С повышением температуры некоторое количество электронов переходит через запрещенную зону и попадает в зону проводимости, а в валентной зоне при этом образуется соответствующее количество дырок. Отсюда следует, что уровень Ферми в таком материале находится в центре запрещенной зоны (рис. 70, а). При легировании такого материала с образованием кристалла n-типа энергия возникающих свободных электронов должна быть близка к энергии электронов в зоне проводимости; В таком кристалле уровень Ферми (рис. 70, б) смещается к нижней границе зоны проводимости. Аналогично этому легирование полупроводника с образованием кристалла p-типа вызывает смещение уровня Ферми к верхней границе валентной зоны (рис. 70, в). Эти диаграммы, наглядно иллюстрируя расположение электронных энергетических уровней в полупроводниках, помогают также понять роль дырок; они показывают распределение и возможности перемещения обоих типов зарядов, что поможет нам лучше разобраться в их поведении при рассмотрении более сложных ситуаций.

Рис. 70. Энергетические уровни в полупроводниках: а - нелегированный полупроводник (только собственные неосновные носители); б - кристалл n-типа (неосновные носители и свободные электроны); в - кристалл p-типа (неосновные носители и свободные дырки)