2. Примесная проводимость полупроводников

Определения и обозначения

Примесная проводимость — проводимость полупроводника, возникающая благодаря дополнительным носителям заряда, которые появляются после введения атомов другого вещества. Примесь меняет число подвижных электронов или дырок в кристалле. Это понятие помогает объяснить, почему малой добавки вещества достаточно, чтобы заметно изменить электрические свойства материала.

Донорная примесь — примесь, атом которой способен отдать электрон кристаллу. Обычно у такого атома на один валентный электрон больше, чем у атома полупроводника, и лишний электрон удерживается сравнительно слабо. Доноры нужны, чтобы увеличить количество электронов проводимости; после отдачи электрона примесный атом становится положительным ионом.

Акцепторная примесь — примесь, атом которой захватывает электрон из ковалентной связи в кристалле. Так в связи остаётся незаполненное место — дырка, которая ведёт себя как положительный носитель заряда. Это определение позволяет понять, откуда берутся дырки и почему при акцепторной примеси основными носителями становятся именно они.

Дырочная проводимость — перенос электрического заряда, который описывают как направленное движение дырок. На самом деле соседние электроны последовательно занимают свободные места, и дырка перемещается в противоположную сторону. Такое описание удобно, потому что позволяет считать дырку самостоятельным положительным носителем и прослеживать перенос тока.

Как это устроено

В чистом полупроводнике часть электронов может покинуть связи и стать свободными, оставляя дырки, но при обычных условиях таких носителей сравнительно мало. Поэтому ток в нём может быть слабым. Примесный атом меняет ситуацию, потому что его электронные связи устроены не так, как у атомов основного кристалла. Даже небольшое число таких атомов создаёт дополнительные носители, и проводимость заметно возрастает.

Атом донора обычно имеет один валентный электрон сверх тех, которые нужны для образования связей с соседями в решётке. Этот дополнительный электрон связан с атомом слабее, поэтому небольшого воздействия достаточно, чтобы он стал свободным в кристалле. При наличии электрического поля электроны начинают перемещаться направленно и переносят заряд. Так возникает электронная проводимость, а электронов становится больше, чем дырок: именно электроны являются основными носителями.

У акцепторного атома, напротив, не хватает электрона для образования всех обычных связей с соседями. Он захватывает электрон из одной из этих связей, и на прежнем месте электрона остаётся дырка. Поле вызывает переходы электронов между соседними связями, поэтому дырка перемещается по кристаллу. Поскольку акцептор создаёт много таких незаполненных мест, дырок становится больше, чем свободных электронов, и они оказываются основными носителями.

Движение дырки следует отличать от движения электронов, которые занимают её место. Если электрон переходит вправо и заполняет дырку, прежнее место электрона слева становится новой дыркой. Получается, что дырка переместилась влево — в направлении, противоположном движению электрона. Поэтому при описании дырочной проводимости считают, что положительный заряд направленно переносится самими дырками.

Тип примеси определяет, каких носителей в полупроводнике больше. Донор отдаёт электроны, поэтому образец с донорной примесью обладает электронной проводимостью; акцептор захватывает электрон и создаёт дырки, поэтому проводимость становится дырочной. Носителей противоположного типа материал полностью не лишается, но их концентрация меньше. Основными называют носители, которых больше и которые в первую очередь определяют перенос заряда.

Виды примесной проводимости полупроводников

Чтобы пользоваться таблицей, сначала выясни, что делает примесный атом с электроном: отдаёт или захватывает его. Затем по возникающим носителям определи вид проводимости. Заряд иона показывает, что произошло с примесным атомом после передачи электрона, но не заменяет определение основных носителей.

Разбор задач

Задача 1. В кремний добавили примесь, атомы которой имеют на один валентный электрон больше, чем атомы кремния. Определите вид примеси и тип проводимости.

1. Установим, что лишний валентный электрон примесного атома может слабо удерживаться и перейти в кристалл.
2. Примесь, отдающую электрон, называется донорной. Появившийся электрон может участвовать в переносе тока.
3. Следовательно, в образце преобладают электроны и проводимость электронная.

Ответ: примесь донорная, проводимость электронная.

Задача 2. В полупроводник введена акцепторная примесь. Укажите основные носители заряда и объясните, как они участвуют в переносе тока.

1. Акцептор захватывает электрон из связи между атомами полупроводника, поэтому в связи остаётся дырка.
2. Поскольку акцепторная примесь создаёт дырки, их становится больше, чем электронов. Значит, основные носители в таком образце — дырки.
3. При направленном движении электронов они последовательно заполняют дырки. Новые дырки возникают на прежних местах электронов, поэтому дырка перемещается навстречу движению электронов и переносит положительный заряд.

Ответ: основные носители — дырки; перенос тока описывают как их направленное перемещение, противоположное движению электронов.

Задача 3. В двух образцах полупроводника обнаружены разные примеси: в первом основными носителями являются электроны, во втором — дырки. Определите тип примеси в каждом образце и объясните вывод.

1. В первом образце основными носителями оказались электроны. Это означает, что примесь добавила в кристалл электроны проводимости.
2. Электроны отдаёт донор, поэтому в первом образце примесь донорная, а проводимость электронная.
3. Во втором образце преобладают дырки. Их создаёт акцептор, захватывающий электрон из связи, поэтому второй образец содержит акцепторную примесь и обладает дырочной проводимостью.

Ответ: в первом образце примесь донорная, во втором — акцепторная.

Типичные ошибки

Ошибочно считать донорную примесь положительно заряженной ещё до того, как она отдала электрон. Так можно подумать, потому что донор связывают с положительным ионом. Проверь себя по последовательности: нейтральный атом отдаёт отрицательный электрон, и только после этого становится положительным ионом.

Нельзя путать направление движения дырки с направлением движения электронов. Путаница появляется потому, что дырка не является обычной частицей, которую можно увидеть движущейся между атомами. Проследи за переходом: электрон заполняет дырку справа, а новая дырка возникает слева, то есть дырка смещается противоположно электрону.

Дырка — не положительно заряженный атом, а отсутствие электрона в связи, которое ведёт себя как положительный носитель. Ошибку провоцирует то, что движение дырки удобно описывать как перенос положительного заряда. Чтобы проверить себя, отделяй примесный ион от дырки: ион — атом примеси с изменившимся зарядом, дырка — незаполненное место в связи.

Неверно утверждать, что любая примесь увеличивает число электронов. Такое обобщение возникает, если помнить только о донорах и забывать о другом механизме. Сопоставь действие атома: донор отдаёт электрон и увеличивает число электронов проводимости, а акцептор захватывает его и создаёт дырку.

Связь с другими темами

Для понимания примесной проводимости нужны знания о строении атома и кристаллической решётки: они объясняют роль валентных электронов и образование связей. Полезно также помнить, как возникают электронно-дырочные пары в полупроводнике. Чтобы понять ток, нужно знать, что направленное движение заряженных частиц переносит электрический заряд.

Деление на электронную и дырочную проводимость помогает разбираться в свойствах полупроводниковых материалов. Оно становится особенно полезным при изучении приборов, в которых важны носители заряда и их движение, например диодов и транзисторов. Так представление об отдельных атомах и связях переходит к объяснению работы устройств.

Что запомнить

• Примеси могут резко изменить электрические свойства полупроводника.
• Донорная примесь отдаёт электрон.
• В полупроводнике с донорной примесью основными носителями являются электроны.
• Акцепторная примесь захватывает электрон и создаёт дырку.
• В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями являются дырки.
• Электроны и дырки перемещаются в противоположных направлениях.