Примесные полупроводники

Примесные полупроводники представляют собой полупроводниковые материалы, в которые преднамеренно введены атомы примесей с целью изменения концентрации и типа носителей заряда. В зависимости от природы примеси полупроводники делятся на два основных типа:

  • n-типа — получаются путём добавления донорных примесей, обладающих избытком валентных электронов;
  • p-типа — образуются при внедрении акцепторных примесей, имеющих недостаток валентных электронов.

Примесные полупроводники являются основой современной электроники, так как позволяют управлять электрическими свойствами материала в широком диапазоне.

Донорные и акцепторные уровни

При внедрении примесных атомов в кристаллическую решётку полупроводника их энергетические уровни изменяются. Примесь создаёт новые разрешённые уровни внутри запрещённой зоны:

  • Донорные уровни располагаются близко к краю зоны проводимости. Электроны с этих уровней легко ионизируются при комнатной температуре, попадая в зону проводимости.
  • Акцепторные уровни находятся недалеко от края валентной зоны. Электроны из валентной зоны могут переходить на эти уровни, оставляя после себя дырки — положительно заряженные квазичастицы.

Таким образом, при ионизации донорной примеси увеличивается концентрация электронов в зоне проводимости, а при ионизации акцепторной — увеличивается концентрация дырок в валентной зоне.

Концентрация носителей заряда в примесных полупроводниках

Для количественного описания примесной проводимости необходимо учитывать концентрации электронов n, дырок p и концентрации примесей:

  • Для n-типа: n ≈ ND, $p = \frac{n_i^2}{N_D}$
  • Для p-типа: p ≈ NA, $n = \frac{n_i^2}{N_A}$

Здесь:

  • ND — концентрация доноров;
  • NA — концентрация акцепторов;
  • ni — собственная концентрация носителей заряда в чистом полупроводнике.

Примесная проводимость значительно превышает собственную, особенно при температуре, при которой все примесные уровни ионизированы.

Энергетическая диаграмма

На энергетических диаграммах зоны проводимости и валентной зоны изображаются с примесными уровнями:

  • В полупроводнике n-типа уровень Ферми EF смещён ближе к зоне проводимости;
  • В p-типе уровень Ферми расположен ближе к валентной зоне.

Это отражает преобладание соответствующего типа носителей. Смещение уровня Ферми влияет на термоэлектрические и электронные свойства материала.

Ионизация примесей и температурная зависимость

Ионизация примесей зависит от температуры:

  1. При низкой температуре большинство примесей не ионизировано. Концентрация носителей мала.
  2. При умеренных температурах наступает область насыщения: почти все примеси ионизированы, концентрация носителей определяется количеством примеси.
  3. При высокой температуре начинается возбуждение электронов из валентной зоны, и материал переходит в область собственной проводимости.

Таким образом, температурная зависимость проводимости имеет характерный трёхступенчатый вид.

Электронная подвижность и роль примесей

Подвижность носителей заряда в примесных полупроводниках зависит от:

  • рассеяния на фононах (доминирует при высокой температуре),
  • рассеяния на ионизированных примесях (преобладает при низкой температуре).

При увеличении концентрации примеси увеличивается число центров рассеяния, что приводит к уменьшению подвижности:

$$ \mu \propto \frac{1}{N_{\text{имп}}} $$

Здесь Nимп — концентрация ионизированных примесей. Следовательно, хотя примесь увеличивает концентрацию носителей, она одновременно снижает их подвижность.

Компенсированные полупроводники

Если в полупроводник одновременно введены доноры и акцепторы, то часть примесей компенсируется:

Nэфф = |ND − NA|

Природа большинства носителей определяется преобладающим типом примеси. Такие полупроводники называют компенсированными. Они часто используются для точной настройки электрических характеристик.

Легирование и технологические аспекты

Процесс внедрения примесей называется легированием. Он может осуществляться следующими способами:

  • диффузия (высокотемпературный контакт с источником примеси),
  • ионная имплантация (введение ионов примеси в кристалл под высоким напряжением),
  • эпитаксиальное выращивание с контролируемым составом.

Легирование позволяет создавать pn-переходы, nMOS/pMOS-транзисторы, управлять толщиной обеднённых слоёв и формировать интегральные структуры.

Глубокие и мелкие уровни

Различают:

  • мелкие примеси — создают уровни, расположенные вблизи краёв запрещённой зоны (на расстоянии ~0.01–0.05 эВ);
  • глубокие примеси — формируют уровни вблизи середины запрещённой зоны.

Мелкие примеси эффективно ионизируются при комнатной температуре. Глубокие примеси могут захватывать носителей и играют важную роль в явлениях рекомбинации, фотовозбуждения и нестабильности.

Влияние примесей на оптические и электронные свойства

Примеси изменяют:

  • оптическое поглощение — появляются новые линии поглощения, связанные с переходами между примесными уровнями и зонами;
  • люминесценцию — при переходах между примесными уровнями может происходить испускание фотонов;
  • жизненное время носителей — через захваты носителей на примесные уровни ускоряется рекомбинация;
  • диэлектрическую проницаемость и проводимость — вследствие увеличения числа носителей.

Особенно важную роль примеси играют в инфракрасных и фоточувствительных приборах.

Контроль параметров примесных полупроводников

Измерение концентрации и подвижности носителей осуществляется методами:

  • эффекта Холла — позволяет определить знак и концентрацию носителей;
  • метод четырёх зондов — используется для точного измерения сопротивления;
  • временной релаксации и импульсной спектроскопии — исследуют уровни и захваты.

Контроль легирования критичен для производства полупроводниковых приборов, где даже незначительное отклонение от заданной концентрации приводит к деградации характеристик устройства.

Примесные полупроводники составляют фундамент современной электроники. Они обеспечивают управляемость током, селективность, логическую функциональность и возможность интеграции. Глубокое понимание их физических механизмов лежит в основе проектирования новых материалов и архитектур микросхем.

Оглавление