1.1.2 Полупроводники с электронной электропроводностью
При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов (фосфора Р, сурьмы Sb) атомы примесей замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки (рис. 1.3, а). Четыре электрона атома примеси вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов основного полупроводника. Пятый валентный электрон слабо связан со своим атомом и при сообщении ему незначительной энергии, называемой энергией активации, отрывается от атома и становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными или просто донорами. Доноры подбирают таким образом, чтобы их энергетические уровни Wд располагались в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости основного полупроводника (рис. 1.3, б). Поскольку концентрация доноров в большинстве случаев не превышает 1015...1017 атомов в 1 см3, что составляет 10-4 % атомов основного вещества, то взаимодействие между атомами доноров отсутствует и их энергетические уровни не разбиваются на зоны.
Рисунок 1.3. Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с электронной электропроводностью.
Малая энергия активизации примесей, равная 0,16 эВ для кремния и 0,01...0,13 эВ для германия, уже при комнатной температуре приводит к полной ионизации 5-валентных атомов примесей и появлению в зоне проводимости свободных электронов. Поскольку в этом случае появление свободных электронов в зоне проводимости не сопровождается одновременным увеличением дырок в валентной зоне, в таком полупроводнике концентрация электронов оказывается значительно больше концентрации дырок. Дырки в полупроводниках образуются только в результате разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества.
Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками, с электронной электропроводностью или полупроводниками n-типа.
Подвижные носители заряда, преобладающие
в полупроводнике, называют основными. Соответственно те носители заряда, которые
находятся в меньшем количестве, называются неосновными для данного типа полупроводника.
В полупроводнике n-типа
основными носителями заряда являются электроны, а неосновными - дырки. В состоянии
теплового равновесия в таком полупроводнике концентрации свободных электронов
(
)
и дырок (
)
определяются соотношениями:
;
.
(1.3)
С учетом соотношений (1.1) выражения (1.3) можно представить в следующем виде:
;
(1.4)
.
(1.5)
Из этих соотношений следует, что
для полупроводника n-типа
выполняется неравенство >
> .
Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону, превращаются в положительные ионы. В отличие от дырок положительные ионы прочно связаны с кристаллической решеткой основного полупроводника, являются неподвижными положительными зарядами и, следовательно, не могут принимать непосредственное участие в создании электрического тока в полупроводнике.
Если считать, что при комнатной
температуре все атомы донорных примесей ионизированы (=
Nд, »
0), на основании выражения
(1.4) можно записать:
,
(1.6)
где Nд - концентрация донорных атомов в полупроводнике.
Из соотношения (1.6) видно, что в полупроводниках n-типа уровень Ферми располагается в верхней половине запрещенной зоны, и тем ближе к зоне проводимости, чем больше концентрация доноров. При увеличении температуры уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации основных атомов полупроводника.
Повышение концентрации электронов в данном полупроводнике значительно снижает его удельное сопротивление. Например, чистый кремний имеет r = 2× 103 Ом× м, а легированный фосфором - (0,25...0,4)× 102 Ом× м.