Донорные и акцепторные примеси в полупроводниках

Определение Допирования

Допирование — это процесс добавления примесей в полупроводник для изменения его проводящих свойств.

Примеси-доноры

Примеси-доноры — это пентавалентные атомы, добавляемые в полупроводники, которые создают дополнительные свободные электроны, формируя n-тип полупроводников.

N-Тип Полупроводника

Когда к полупроводнику добавляются примеси n-типа или доноры, запрещенная энергетическая зона в решеточной структуре сужается. Атомы-доноры вводят новые энергетические уровни, расположенные сразу под зоной проводимости. Эти уровни дискретны, так как атомы примесей находятся далеко друг от друга и взаимодействуют минимально. В германии энергетический зазор составляет 0,01 эВ, а в кремнии — 0,05 эВ при комнатной температуре. Таким образом, при комнатной температуре пятый электрон от атомов-доноров переходит в зону проводимости. Увеличение числа электронов приводит к уменьшению числа дырок.

Число дырок на единицу объема в n-типе полупроводника еще ниже, чем в той же единице объема внутреннего полупроводника при той же температуре. Это происходит из-за избыточных электронов, и скорость рекомбинации электрон-дырочных пар будет выше, чем в чистом или внутреннем полупроводнике.

P-Тип Полупроводника

Если вместо пентавалентной примеси добавить тривалентную примесь к внутреннему полупроводнику, то вместо избыточных электронов в кристалле появится избыток дырок. Когда тривалентная примесь добавляется в кристалл полупроводника, тривалентные атомы заменяют некоторые тетравалентные атомы полупроводника. Три валентных электрона тривалентного атома-примеси образуют связи с тремя соседними атомами полупроводника. Таким образом, в одной из связей четвертого соседнего атома полупроводника будет недоставать электрона, что приведет к появлению дырки в кристалле. Поскольку тривалентные примеси создают избыток дырок в кристалле полупроводника, и эти дырки могут принимать электроны, такие примеси называются акцепторными примесями. Поскольку дырки несут положительный заряд, такие примеси называются положительными или p-тип примесями, а полупроводник с примесями p-типа называется p-типом полупроводника.

Добавление тривалентных примесей к полупроводнику создает дискретный энергетический уровень сразу над валентной зоной. Маленький зазор между валентной зоной и этим новым энергетическим уровнем позволяет электронам легко перемещаться на более высокий уровень при небольшом количестве внешней энергии. Когда электрон переходит на этот новый уровень, он оставляет вакансию, или дырку, в валентной зоне.

Когда мы добавляем примеси n-типа к полупроводнику, в кристалле будет избыток электронов, но это не означает, что дырок не будет совсем. Из-за внутренней природы полупроводника при комнатной температуре всегда есть некоторые пары электрон-дырка. При добавлении примесей n-типа к этим парам добавляются электроны, и количество дырок уменьшается из-за избыточной рекомбинации. Таким образом, общее число носителей отрицательного заряда или свободных электронов будет больше, чем число дырок в n-типе полупроводника. Поэтому в n-типе полупроводника электроны называются основными носителями заряда, а дырки — второстепенными. Аналогично, в p-типе полупроводника дырки называются основными носителями заряда, а электроны — второстепенными.

Акцепторные Примеси

Акцепторные примеси — это тривалентные атомы, добавляемые в полупроводники, создающие избыток дырок, формируя p-тип полупроводников.