Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2 - Вест А.
ISBN 5-03-000071-2
Скачать (прямая ссылка):
2) Примесные полупроводники — это материалы, уровень проводимости которых определяется содержанием легирующих компонентов. Кремний может стать примесным полупроводником, если в него ввести элементы III или V групп периодической системы. Рассмотрим вначале влияние малых добавок трехвалентных элементов (например, 10~2 ат. % галлия). Пусть атомы галлия замещают атомы кремния в тетраэдрических узлах решетки типа алмаза, образуя твердый раствор замещения. Согласно теории валентных связей, в чистом кремнии все связи Б1—Э1 являются обычными ковалентными связями, так как у кремния четыре валентных электрона, и каждый атом кремния окружен четырьмя другими атомами кремния (рис. 14.18). У галлия лишь три валентных электрона, и при введении галлия в кремний должна образовываться одна электронодефи-цитная связь ва—Б!. Согласно зонной теории, каждый энергетический уровень, отвечающий одноэлектронной связи Оа—Эг, не будет попадать в валентную зону кремния. Вместо этого образуется дискретный энергетический уровень или атомная орбиталь чуть выше потолка валетной зоны. Такой уровень называют акцепторным уровнем, поскольку он способен принимать электроны. Энергия этого акцепторного уровня отличается от энергии потолка валентной зоны примерно на 0,1 эВ. Следовательно, термически возбужденные электроны могут легко покидать валентную зону и занимать акцепторные уровни. Если концентрация атомов галлия мала, акцепторные уровни дискретны. Поэтому электроны, находящиеся на акцепторных уровнях, не вносят вклада в проводимость материала. Оставшиеся в валентной зоне положительно заряженные дырки могут двигаться, и, следовательно, легированный галлием кремний относится к полупроводникам р-типа.
14,6. Зонная структура полупроводников; кремний
79
При обычной (комнатной) температуре концентрация положительно заряженных дырок, возникших при введении атомов галлия, намного выше концентрации дырок, возникших в результате термического возбуждения электронов и перехода их в зону проводимости. Поэтому уровень примесной проводимости существенно выше уровня собственной проводимости. Следовательно, проводимость в этом случае определяется концентрацией атомов галлия. С ростом температуры концентрация собст-
X О X о
зона проводимости
1,1 ЭВ
Т ф 0,1 эВ Т Т Т Т Т акцепторные /ровни е е е е е валентная зона
Рис. 14.18. р-Проводимость кремния, легированного галлием.
венных носителей заряда быстро растет. При достаточно высоких температурах концентрация собственных носителей заряда может превысить концентрацию примесных носителей. При этом доминирующий вклад в проводимость будут вносить именно собственные носители заряда (см. ниже).
Рассмотрим теперь, к чему приведет введение в кремний атомов пятивалентного элемента, например мышьяка. Атомы мышьяка также будут замещать атомы кремния в решетке типа алмаза. Однако теперь каждый атом мышьяка дает один избыточный электрон по сравнению с теми электронами, которые необходимы для образования четырех ковалентных связей Э1—Аэ (рис. 14.19). В рамках зонной теории это означает, что избыточный электрон занимает дискретный уровень, расположенный примерно на 0,1 эВ ниже дна зоны проводимости. Как и в предыдущем случае, электроны на этих уровнях не могут двигаться, поскольку их концентрация недостаточна, чтобы образовать зону делокализованных состояний. Такие уровни
80
14. Электронные свойства и зонная теория
называются донорными уровнями, поскольку находящиеся на них электроны легко переходят в зону проводимости за счет термического возбуждения, где они могут свободно перемещаться. Такие материалы называются полупроводниками п-типа.
Сформулируем различия между собственными и примесными полупроводниками.
1) Уровень проводимости в примесных полупроводниках при комнатных температурах гораздо выше уровня проводимости собственных полупроводников. Например, при 25°С чистый "^емний имеет собственную проводимость ~10-2 (Ом-см)-1.
зона проводимости
е е е е е доиорные /ровни 1,1 зВ
валентная зона
Рис. 14.19. «-Проводимость кремния, легированного мышьяком.
При соответствующем легировании его проводимость возрастает на несколько порядков.
2) Уровень проводимости примесных полупроводников может точно определяться концентрацией вводимой примеси. Это используют при синтезе материалов с определенным уровнем проводимости. Что касается собственных полупроводников, то уровень их проводимости существенно зависит от температуры и наличия случайных примесей.
На рис. 14.20 приведена температурная зависимость концентрации носителей и уровень проводимости полупроводниковых материалов, которые при низких температурах являются примесными полупроводниками, а при высокой температуре — собственными. При низких температурах (область /) концентрация носителей зависит от температуры, так как относительно небольшое различие в энергиях (~0,1 эВ) между акцепторными (донорными) уровнями и краем валентной зоны (зоны проводимости) могут преодолеть лишь немногие электроны. При возрастании температуры обе зависимости выходят на насыщение (область' 2), когда концентрация примесных носителей принимает максимальное значение. На этом участке кривой концентрация носителей не зависит от температуры и проводимость несколько уменьшается с ростом температуры за счет понижения подвижности носителей из-за взаимодействия с кристаллической
