Собственная и примесная проводимость полупроводников: определение, формулы

Полупроводники - удивительные материалы, сочетающие свойства проводников и диэлектриков. Их электропроводность легко регулировать, что и определяет широчайшее применение в электронике. Но что такое собственная и примесная проводимость полупроводников? Давайте разберемся!

Определение собственной проводимости полупроводников

Собственная проводимость - это проводимость химически чистых полупроводников, не содержащих примесей. Она обусловлена тепловым движением собственных носителей заряда в полупроводнике - электронов и дырок.

При нагревании кристаллической решетки полупроводника происходит разрыв некоторого числа ковалентных связей с образованием свободных электронов и дырок. Эти носители заряда и обеспечивают собственную электропроводность полупроводника.

Механизм возникновения собственной проводимости

Рассмотрим на примере кремния, как возникает собственная проводимость полупроводников.

Кремний имеет четыре валентных электрона и образует четыре ковалентные связи с соседними атомами. При нагревании происходит разрыв некоторого числа таких связей. В результате появляются два типа носителей заряда:

• Свободные электроны, участвующие в электронной проводимости;
• "Дырки" - разорванные связи, по которым могут перемещаться электроны соседних атомов, обеспечивая дырочную проводимость.

При этом концентрация свободных электронов и дырок одинакова.

Факторы, влияющие на величину собственной проводимости

На величину собственной проводимости полупроводников влияют следующие факторы:

1. Температура. Чем выше температура, тем активнее тепловое движение и тем больше разрывается связей с образованием носителей заряда.
2. Освещение. Свет также придает энергию электронам для разрыва связей.
3. Примеси. Даже небольшое содержание примесей может существенно изменить концентрацию носителей заряда в полупроводнике.

Таким образом, собственная проводимость полупроводников относительно невелика, зависит от температуры и освещенности. А как же примесная проводимость?

Определение примесной проводимости полупроводников

Примесная проводимость возникает при введении в полупроводник специальных примесей, которые резко увеличивают концентрацию основных носителей заряда - электронов или дырок.

Различают донорные и акцепторные примеси.

Донорные и акцепторные примеси

Донорами называют примеси, атомы которых имеют бо́льшее число валентных электронов по сравнению с атомами основного полупроводника. Например:

• Мышьяк (5 валентных электронов) для кремния (4 валентных электрона);
• Сурьма (5 валентных электронов) для германия (4 валентных электрона).

Лишний электрон донорных примесей легко переходит в зону проводимости полупроводника, резко увеличивая концентрацию свободных электронов - основных носителей заряда.

Акцепторные примеси, наоборот, имеют меньше валентных электронов и поэтому захватывают их из валентной зоны основного полупроводника, увеличивая тем самым концентрацию дырок. Примеры:

• Индий (3 валентных электрона) для германия;
• Алюминий (3 валентных электрона) для кремния.

Механизм возникновения примесной проводимости

Рассмотрим на примере, как мышьяк обеспечивает примесную электронную проводимость германия.

При введении пятивалентного мышьяка в четырехвалентный германий один лишний электрон мышьяка оказывается слабосвязанным. При нагревании этот электрон переходит в зону проводимости германия, резко увеличивая концентрацию свободных электронов.

Атом мышьяка становится положительным ионом, прочно зафиксированным в решетке германия. А движущийся свободный электрон обеспечивает высокую примесную электронную проводимость.

Полупроводники n-типа и p-типа

В зависимости от типа примесей и основных носителей заряда различают полупроводники двух типов:

• Полупроводники n-типа с преобладанием электронной проводимости, создаваемой донорными примесями;
• Полупроводники p-типа с преобладанием дырочной проводимости, создаваемой акцепторными примесями.

Примесная электропроводность в сотни и тысячи раз выше собственной и легко регулируется введением нужного типа и количества примесей. Это свойство и определяет широчайшее применение полупроводников в электронике.

Сравнение собственной и примесной проводимостей

Давайте теперь сравним основные характеристики собственной и примесной проводимостей полупроводников:

Таким образом, основные особенности примесной проводимости заключаются в ее высоком уровне и возможности управлять типом проводимости путем введения соответствующих примесей.

Как рассчитать собственную и примесную проводимость

Для расчета собственной и примесной проводимостей полупроводников используется следующая общая формула:

σ = nqμ_n + pqμ_p

где:

• σ - удельная электропроводность полупроводника
• n - концентрация электронов
• q - заряд электрона
• μ_n - подвижность электронов
• p - концентрация дырок
• μ_p - подвижность дырок

Подставляя соответствующие значения концентраций и подвижностей носителей для собственной или примесной проводимости, можно рассчитать величину электропроводности в каждом конкретном случае.

Применение примесной проводимости в полупроводниковых приборах

Эффект управления проводимостью полупроводников с помощью примесей широко используется при создании полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов, интегральных микросхем.

В частности, p-n переход между областями полупроводника с электронной и дырочной проводимостью проявляет нелинейные и выпрямляющие свойства, что позволяет создавать диоды и транзисторы - основные активные компоненты современной электроники.

Перспективы применения примесной проводимости

В настоящее время активно ведутся работы по созданию новых типов полупроводниковых материалов с улучшенными параметрами примесной проводимости. Это позволит создавать более производительные и компактные полупроводниковые приборы.

Влияние примесей на собственную проводимость

Ранее мы отмечали, что даже небольшое количество примесей может повлиять на величину собственной проводимости полупроводника.

Дело в том, что собственная проводимость обусловлена тепловым разрывом ковалентных связей между атомами основного полупроводника. А примесные атомы, замещая атомы основной решетки, могут как ослаблять, так и усиливать эти связи.

Например, атомы мышьяка, имеющие 5 валентных электронов вместо 4 у атомов кремния, образуют более прочные связи с соседями. Это приводит к снижению вероятности их теплового разрыва.

В то же время атомы бора с 3 валентными электронами, наоборот, ослабляют ковалентные связи в решетке кремния, что облегчает генерацию носителей заряда.

Таким образом, каковы особенности влияния примесей на собственную проводимость полупроводников?

• Донорные примеси снижают собственную проводимость
• Акцепторные примеси повышают собственную проводимость

Компенсация собственной проводимости

Иногда бывает необходимо максимально снизить собственную проводимость полупроводника, например, при создании высокоомных структур.

В таких случаях применяют специальный прием - компенсацию собственной проводимости. Суть его заключается в следующем:

1. Сначала в полупроводник вводят донорную примесь для уменьшения концентрации дырок;
2. Затем добавляют акцепторную примесь, компенсирующую избыточные электроны от донорной примеси.

В итоге как концентрация электронов, так и концентрация дырок в полупроводнике резко падают, минимизируя его собственную проводимость.

Совершенствование технологии легирования полупроводников

Для создания заданного типа проводимости в полупроводнике используется специальная технология введения примесей - легирование.

Постоянно ведутся работы по совершенствованию методов легирования, позволяющие получать более однородное распределение примесей в объеме полупроводника.

Это важно для повышения воспроизводимости параметров изготавливаемых полупроводниковых приборов.

Создание полупроводников с заданным типом проводимости

Благодаря явлению примесной проводимости можно создавать полупроводники с заранее заданным типом электропроводности.

Для этого используют соответствующие методы легирования при выращивании монокристаллов полупроводников или при создании полупроводниковых пленок.

Например, чтобы получить кремний с электронной проводимостью (n-тип), применяют легирование фосфором. А для создания кремния с дырочной проводимостью (p-тип) используют бор в качестве легирующей примеси.

Изготовление p-n переходов с заданными свойствами

На основе явления примесной проводимости можно создавать p-n переходы в полупроводниках с различными электрическими характеристиками.

Это достигается подбором оптимальных концентраций и профилей легирования в p- и n-областях полупроводника, а также режимов термической обработки структуры.

Такие p-n переходы широко используются в диодах, транзисторах, тиристорах и других полупроводниковых приборах.

Моделирование процессов переноса носителей заряда

Для исследования и оптимизации параметров полупроводниковых структур проводится математическое моделирование процессов генерации, рекомбинации и переноса носителей заряда.

С помощью компьютерного моделирования можно детально проанализировать влияние различных факторов на электрофизические характеристики полупроводников.

Поиск новых перспективных полупроводниковых материалов

Интенсивно ведутся исследования, направленные на поиск принципиально новых полупроводниковых материалов, которые могут заменить традиционные кремний и германий.

К перспективным кандидатам относятся соединения на основе углерода (алмазы, графен), некоторые халькогениды и другие высокоэффективные полупроводники.