ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Неравновесные носители заряда в полупроводниках из "Физика и химия полупроводников" Рассмотрим роль примесей и их влияние на электропроводность полупроводниковых кристаллов. [c.125] Из сказанного выше понятно, что в качестве донорных примесей в кристаллах кремния и германия должны использоваться пяти- или шестивалентные элементы. Обычно роль этих примесей выполняют атомы сурьмы, мышьяка или фосфора. Энергии активации для них имеют значение от 0,01 до 0,1 эв. [c.126] С р — термодинамическая концентрация ионизованных атомов иримеси. [c.127] Акцепторы. Рассмотрим теперь случай, когда атом кристаллической решетки германия замещается на атом какого-либо трехвалентного элемента, например индия (рис. 29, а). Такое замещение сопровождается исчезновением одного валентного электрона, что связано с образованием двойной ненасыщенной связи (см. 8). Эта связь принадлежит к той микрообласти кристалла, в которой находится атом индия. Для того, чтобы ее переместить в любую другую область кристалла, необходимо затратить небольшую энергию, называемую в данном случае энергией активации акцепторных примесей —В результате произведенного перемещения в валентной зоне германия образуется дырка, а вблизи атома индия появляется избыточный электрон. [c.127] Из сказанного выше следует, что акцепторными примесями должны являться атомы элементов первых трех групп таблицы Менделеева. Энергия активации акцепторных примесей имеет тот же порядок, что и донорных примесей, т. е. 0,01—0,1 эв. В соответствии с этим энергетический уровень акцепторов находится в запрещенной зоне на очень небольшом расстоянии от валентной зоны (рис. 29, б). [c.128] Эта формула также основана на предположении, что концентрация дырок в примесном полупроводнике много больше, чем в собственном. [c.128] При термодинамическом равновесии в системе должны быть справедливы не только формулы (98) и (99), но и формулы (69) и (71). Иными словами, при изменении концентрации носителей за счет введения донорных или акцепторных примесей произве-денне концентрации дырок и концентрации свободных электронов при заданной температуре остается постоянным. Это означает, что увеличение концентрации носителей одного знака влечет за собой уменьшение в концентрации носителей противоположного знака. Те носители, концентрация которых больше, называются основными и определяют величину электропроводности данного кристалла. В соответствии с этим говорят о полупроводниках с электронной или дырочной электропроводностью [п- или р-тип). [c.128] Сказанное означает, что при одновременном введении донорных и акцепторных примесей происходит взаимная компенсация и их ионизация резко уменьшается. Таким образом, одни и тот же тип электропроводности и концентрация носителей могут быть получены как прн малом содержании примеси одного сорта, так и при большом содержании двух частично компенсируюш,их друг друга примесей. Следует однако отметить, что несмотря на одинаковый тип электропроводности и концентрацию носителей суш,ествуют заметные различия во многих других свойствах компенсированных и некомпенсированных полупроводников. В качестве примера укажем, что подвижность носителей заряда в компенсированных полупроводниках ниже, а скорость рекомбинации выше, чем в некомпенсированных. [c.129] Выше мы считали, что атомы примеси замеш,ают собственные атомы кристаллической решетки и образуют со своими соседями валентные химические связи. При этом атомы 1—3-валентных элементов являются акцепторами, а 5—6-валентных — донорами. [c.129] Возможен также другой механизм, прн котором атомы примеси, не замеш,ая собственные атомы, внедряются в междуузлие кристаллической решетки. В этом случае электроны примесных атомов уже не участвуют в образовании валентных химических связей, а принадлежат только данному атому. Отсюда следует, что при любой валентности примесных атомов все их электроны находятся на невозбужденных орбитах. При таком положении вещей донорные или акцепторные свойства примесных атомов не зависят прямым образом от их валентности, а определяются электроотрицательностью. Если электроотрицательность примесных атомов больше, чем основных атомов решетки, то примесь обладает акцепторными свойствами. При обратном соотношении в электроотрицательностях атомы примеси являются донорами. [c.129] В заключение укажем, что для специального легирования яолупроводниковых кристаллов применяются обычно элементы, атомы которых образуют примеси замещения. Так в кремний и германий р-типа вводят атомы бора, индия или галлия, а кремний и германий п-типа получают за счет легирования кристаллов примесью фосфора, сурьмы или мышьяка. [c.130] В общем случае температурная зависимость подвижности носителей заряда в полупроводниках определяется тремя механизмами рассеяния носителей рассеянием на тепловых колебаниях атомов решетки, на ионизованных примесях и на дефектах. [c.130] Для германия и кремния в основном действуют первые два механизма рассеяния, которые приводят к различным температурным зависимостям подвижности. Третий механизм рассеяния тоже имеет место, но его влияние в совершенных по структуре 1 истал-лах полупроводников заметно меньше, чем в металлах. [c.130] Рассеяние на тепловых колебаниях. Рассеяние носителей заряда тепловыми колебаниями решетки можно учесть, если проанализировать выражение (85). [c.130] Полученное выражение является справедливым при температуре выше 100 К. [c.131] Рассеяние на ионизованных примесях. При пониженных температурах (Т 100 К) эффективность теплового рассеяния уменьшается, однако, в этой области температур сказывается другой механизм рассеяния, а именно, рассеяние на ионизованных примесях. Если при высоких температурах, т. е. при значительных скоростях, носители заряда не успевают взаимодействовать с ионизованными атомами примесей, то при низких температурах скорости носителей заряда таковы, что они, попадая в поле примесных атомов, заметно изменяют траекторию свое10 движения, т. е. рассеиваются. [c.131] Это выражение графически представлено на рис. 30, откуда видно, что кривая подвижности имеет максимум. [c.131] Величина и расположение этого максимума зависят от концентрации примесей, но характер изменения подвижности одинаков для полупроводников с собственной и примесной электропроводностью. Для большинства полупроводниковых материалов максимум подвижности находится в области очень низких температур (20—80° К). [c.131] Оо из уравнения (103а) является пределом, к которому при повышении температуры стремится удельная проводимость собственного полупроводника. Для многих полупроводниковых материалов эта величина приблизительно равна 10 ом см . [c.132] мы приходим к выводу, что в широком интервале температур концентрация основных носителей в примесном полупроводнике является величиной постоянной и равна концентрации соответствующих примесей. [c.134] Вернуться к основной статье