Домішкові рівні - Студопедія

У попередньому розділі йшлося прочисті бездефектні напівпровідники, проте реальні напівпровідники будь-якого ступеня чистоти завжди містять домішкові атоми та інші дефекти. Такі дефекти створюють власні енергетичні рівні, які можуть розташовуватися як у дозволеній, так і в забороненій зонах напівпровідника на різній висоті. Особливу роль відіграють рівні, що у забороненій зоні, оскільки вони істотно впливають електричні властивості напівпровідників. Структурні дефекти завжди є небажаними, а домішки у ряді випадків вводять спеціально для надання напівпровіднику необхідних властивостей.

Розглянемо основні типи домішкових рівнів.

Донорні рівні (від латів. донор - дає). Як донорну домішку в кристалі германію може служити миш'як. Миш'як (As) є пятивалентным елементом, а валентність германію дорівнює чотирьом. Атом миш'яку подібний до атома германію, тільки має на один електрон більше, тому якщо концентрація домішки невелика, то структура енергетичних рівнів германію збережеться практично незмінною. Чотири з п'яти атомів миш'яку утворюють міцний ковалентний зв'язок із чотирма атомами германію. П'ятий електрон не бере участі у цьому. Він перебуває під впливом періодичного поля решітки германію і кулоновского поля однозарядного позитивного іона миш'яку As + . Притягнення з боку іона послаблюється полем кристала – іон можна як занурений у середу з діелектричною проникністюε. Тоді потенційне поле іона можна подати у вигляді

. (4.21)

Якщо підставити функцію (4.21) у рівняння Шредінгера, можна отримати формулу визначення енергетичного рівня п'ятого електрона

, (4.22)

деme- масаспокою електрону.

У формулі (4.22) енергія ΔEдвимірюється в еВ і відраховується від дна зони провідності. Видно, що енергетичний рівень п'ятого електрона лежить нижче за зону провідності, тобто. знаходиться у забороненій зоні (рис. 4.6,а). Для германію зазвичайm* /me=0,12 і розрахунок ΔEд=-0,006 еВ. Більш точна теорія дає ΔEд=-0,008 еВ, а результат експерименту показує ΔEд=-0,013 еВ, що є гарною відповідністю.

При повідомленні п'ятому електрону навіть невеликої енергії він відривається від атома і переходить у зону провідності, залишаючи на домішковому рівні позитивний іон, внаслідок чого таку домішку називають донорною, а домішковий рівень -Ед(рис. 4.7,а). Температура, при якій відбувається іонізація домішки, набагато нижча за температуру генерації електронно-діркових пар у власному напівпровіднику, оскільки ΔЕд>pn.

У напівпровіднику з донорною домішкою спочатку зростає концентрація лише електронів, а при вищих температурах починається і генерація електронно-діркових пар.Позитивні іони домішки, на відміну від дірок, не беруть участі в електропереносі, оскільки "вбудовані" в кристалічні ґрати.

Мал. 4.7. Домішні рівні в напівпровідниках:а– донорний рівень;б- акцепторний рівень;в– рівні прилипання (ЕП) та глибші рівні (ЕЛ)

Напівпровідники, де основними носіями є електрони, називаютьелектронними,абоn-напівпровідниками. У табл. 4.1. наведено приклади донорної домішки для елементарних напівпровідників германію та кремнію.

Напівпровідник	Енергія іонізації ΔЕд, ЕВ
фосфор	миш'як	сурма
германій	0,012	0,013	0,010
кремній	0,045	0,050	0,039

Акцепторні рівні (від лат. акцептор - приймаючий). Припустимо, що в ґратах германію частина атомів заміщена атомами тривалентного індію, які утворюють по три зв'язки з атомами германію та формують акцепторний рівень –Еа. Четвертий зв'язок залишається неповним, для нього у атома індія не вистачає одного електрона. Такий електрон може бути захоплений атомом германію. Тоді атом індія перетворюється на негативний іон, але в місці захопленого електрона виникає дірка (рис. 4.7,б). Оскільки іони не можуть переміщатися по кристалу, в електроперенесенні беруть участь тільки дірки. Такий напівпровідник називаютьдірочним,абоp-напівпровідником. Основними носіями в p-напівпровіднику є дірки, а неосновними – електрони. Розрахунок показує, що з іонізації атома індію потрібна енергія ΔЕа≈ 0,01 эВ, тобто. температура переходу рівень-зона набагато менша, ніж температура міжзонного переходу.

У табл. 4.2 наведено енергію іонізації акцепторних атомів.

Донорні та акцепторні домішки можуть бути присутніми у напівпровіднику одночасно. У цьому випадку заборонена зона міститиме два типи домішкових рівнів, а напівпровідник – дірки та електрони одночасно. Можливе створеннякомпенсованогонапівпровідника, де як у власному напівпровіднику виконуватиметься умоваn=p.

Напівпровідник	Енергія іонізації ΔЕа, еВ
бір	алюміній	галій	індій
германій	0,010	0,010	0,011	0,011
кремній	0,045	0,060	0,070	0,160

З даних таблиць видно, що донорні та акцепторні рівні є дрібними, тобто. ΔЕ

Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком:

Вимкніть adBlock! і оновіть сторінку (F5)дуже потрібно

---