Примесные полупроводники

Основные понятия

Примесные полупроводники представляют собой полупроводниковые материалы, в кристаллическую решётку которых намеренно введены чужеродные атомы (допанты) с целью управления их электрическими свойствами. Введение примеси изменяет концентрацию носителей заряда и позволяет существенно повышать проводимость материала, что лежит в основе работы большинства современных электронных приборов.

Ключевым отличием примесного полупроводника от чистого (собственного) является наличие в нём донорных или акцепторных уровней, расположенных внутри запрещённой зоны.

Классификация примесей

  1. Донорные примеси Донорные примеси добавляют в полупроводник атомы с большей валентностью, чем у атомов основного материала. Например, кремний (Si) имеет четыре валентных электрона; введение пятивалентного фосфора (P) создаёт лишний электрон, который может свободно проводить ток.

    • Энергетическая характеристика: донорный уровень располагается близко к зонe проводимости, обычно на 0,01–0,05 эВ ниже её дна.
    • Эффект: при небольшом повышении температуры электроны легко переходят в зону проводимости, что приводит к росту электронной проводимости.

  2. Акцепторные примеси Акцепторные примеси имеют меньшую валентность, чем основной элемент кристалла. Например, введение трёхвалентного бора (B) в кремний создаёт «дырки» — положительные носители заряда.

    • Энергетическая характеристика: акцепторный уровень находится близко к верхнему краю валентной зоны, на 0,01–0,05 эВ выше её.
    • Эффект: электроны валентной зоны могут переходить на акцепторные уровни, оставляя свободные дырки, которые становятся основными носителями тока.

Механизмы проводимости

Примесные полупроводники характеризуются повышенной проводимостью по сравнению с собственными. В зависимости от типа примеси различают:

  • n-тип — преобладают электроны (донорные примеси).
  • p-тип — преобладают дырки (акцепторные примеси).

Электрическая проводимость σ определяется формулой:

σ = q(nμn + pμp)

где q — заряд электрона, n и p — концентрации электронов и дырок, μn и μp — их подвижности. В примесных полупроводниках концентрация основных носителей заряда значительно превышает концентрацию неосновных.

Зависимость свойств от концентрации примеси

При низкой концентрации доноров или акцепторов полупроводник находится в области разреженного примесного полупроводника, где уровень Ферми находится близко к донорному или акцепторному уровню, а температурная зависимость проводимости сильно выражена.

При высокой концентрации примесей происходит выравнивание уровней Ферми и формирование примесных зон, что приводит к:

  • Смешанной проводимости: увеличивается влияние неосновных носителей.
  • Снижение подвижности: за счёт увеличения рассеяния на примесных центрах.
  • Переход к вырожденному состоянию: если концентрация примеси становится сравнимой с атомной плотностью, полупроводник приобретает свойства металла.

Примесная энергетическая диаграмма

Энергетические уровни примесных атомов расположены внутри запрещённой зоны:

  • Донорные уровни: близко к зоне проводимости.
  • Акцепторные уровни: близко к валентной зоне.

Это определяет низкую энергию активации и позволяет при малых температурах активировать носители заряда.

Влияние примесей на оптические свойства

Примесные полупроводники демонстрируют характерные спектральные особенности:

  • Появление новых поглощающих линий в инфракрасной области, связанных с переходами электронов между примесными уровнями и зонами проводимости/валентной зоной.
  • Фотопроводимость усиливается, если энергия падающего фотона превышает разность между уровнем примеси и зоной проводимости.
  • Возможны люминесцентные переходы, обусловленные рекомбинацией носителей с участием примесных центров.

Технологические аспекты

Введение примесей в полупроводники осуществляется различными методами:

  • Диффузия: распыление примеси на поверхность и её внедрение при высокой температуре.
  • Ионная имплантация: прямое введение ионов примеси в кристалл с последующим отжигом.
  • Легирование при росте кристалла: включение примесных атомов в процессе Czochralski или Bridgman методов.

Контроль концентрации примесей позволяет создавать полупроводники с заданной проводимостью, что критически важно для изготовления диодов, транзисторов и фотоприёмников.

Примеры практического применения

  • Диоды p–n: формируются за счёт сочетания n- и p-типов.
  • Биполярные транзисторы: требуют точного распределения донорных и акцепторных областей.
  • Сенсоры и фотоприёмники: оптимизация примесей позволяет изменять чувствительность к определённым спектральным диапазонам.
  • Силовые полупроводники: контролируемая концентрация примесей обеспечивает высокую проводимость и тепловую устойчивость.

Влияние температуры

Температурная зависимость проводимости примесного полупроводника делится на три области:

  1. Область замораживания: при низких температурах носители заморожены на примесных уровнях.
  2. Область активации: при умеренных температурах носители переходят с примесных уровней в зоны проводимости.
  3. Область собственных носителей: при высоких температурах собственные электроны и дырки начинают доминировать, проводимость перестаёт зависеть от примесей.

Ключевые моменты

  • Примесные полупроводники позволяют управлять концентрацией и типом носителей заряда.
  • Доноры создают n-тип, акцепторы — p-тип проводимости.
  • Энергетические уровни примесей находятся близко к зонам проводимости или валентной зоны, что обеспечивает низкую энергию активации.
  • Концентрация примесей влияет на проводимость, подвижность носителей и переход к вырожденному состоянию.
  • Методы легирования обеспечивают точный контроль свойств полупроводников, что критично для современных электронных приборов.
Оглавление