При наличии примесей в полупроводнике возникает примесная проводимость.
Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.
Различают два типа примесей – донорного и акцепторного типа.
1. Донорные примеси - в кристалл полупроводника вводится примесь с большей валентностью.
Например, в кристалл кремния с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы сурьмы (Sb).
| На рисунке показан пятивалентный атом сурьмы, оказавшийся в узле кристаллической решетки кремния. Четыре валентных электрона атома сурьмы включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый валентный электрон оказался лишним; он легко отрывается от атома сурьмы и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника. |
В кристалле кремния с примесью сурьмы есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов сурьмы. В таком кристалле nn >> np.
Проводимость, при которой основными носителями свободного заряда являются электроны, называется электронной и обозначается буквой n (негативная, отрицательная проводимость).
Полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n -типа.
2. Акцепторные примеси - в кристалл полупроводника введена примесь с меньшей валентностью.
Например, в кристалл кремния введены трехвалентные атомы индия (In).
| На рисунке показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами кремния. На образование связи с четвертым атомом кремния у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов кремния. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия - дырка. Примесь из атомов с валентностью меньшей, чем валентность основных атомов полупроводникового кристалла, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. |
В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.
Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn.
Проводимость, при которой основными носителями свободного заряда являются дырки, называется дырочной проводимостью и обозначается буквой р (позитивный, положительный тип проводимости).
Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p -типа.
Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.