Теория конструктивных материалов Примесные полупроводники Механические свойства материалов

Примесные полупроводники

Полупроводники любой степени чистоты содержат всегда примес­ные атомы, создающие свои собственные энергетические уровни, полу­чившие название примесных уровней. Эти уровни могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах полупроводника на различных расстояниях от вершины валентной зоны и дна зоны про­водимости. В ряде случаев примеси вводят сознательно для придания полупроводнику необходимых свойств. Рассмотрим основные типы примесных уровней.

Донорные уровни. Предположим, что в кристалле германия часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка. Герма­ний имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными си­лами (рис. а). Для установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует четыре валентных электрона; пятый электрон в образовании связи не участвует. Он продолжает двигаться в поле ато­ма мышьяка.

Вследствие ослабления поля радиус орбиты электрона увеличивается в 16 раз, а энергия связи его с ато­мом мышьяка уменьшается примерно в ε2 ≈ 256 раз, становясь равной Ед ≈ 0,01 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывает­ся от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решет­ке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости (рис. б).

На языке зонной теории этот процесс можно представить следую­щим образом. Между заполненной валентной зоной и свободной зо­ной проводимости располагаются энергетические уровни пятого элек­трона атомов мышьяка (рис. в). Эти уровни размещаются непо­средственно у дна зоны проводимости, отстоя от нее на расстоянии Eg ≈ 0,01 эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней энергии Eg они переходят в зону проводимости (рис. г). Обра­зующиеся при этом положительные заряды («дырки») локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.

Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, на­зываются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа, часто их называют также донорными полупроводниками.

 Акцепторные уровни. Предположим теперь, что в решетке герма­ния часть атомов германия замещена атомами трехвалентного индия (рис. а). Для образования связей с четырьмя ближайшими со­седями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заим­ствовать» у атома германия. Для этого требует­ся энергия порядка Еа ≈ 0,01 эВ. Разорванная связь представляет собой дырку (рис. б), так как она отвечает образованию в валентной зоне германия вакантного состояния.

На рис. в показана зонная структура германия, содержащего примесь индия. Непосредственно у вершины валентной зоны на расстоянии Еа ≈ 0,01 эВ располагаются незаполненные уровни атомов индия. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при относительно невысоких температурах электроны из валент­ной зоны переходят на примесные уровни (рис. г). Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решетке гер­мания и в проводимости не участвуют. Носителями заряда являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупро­водника, называют акцепторными, а энергетические уровни этих при­месей — акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие также примеси, называются дырочными полупроводниками, пли полупроводниками p-типа; часто их называют акцепторными полупроводниками.

 

 

 

Закон Курнакова. Свойство сплавов зависят от их фазового состава. Исследованиями Н.С. Курнакова установлкнна связь между диагрммами состояния и физическими свойствами сплавов. Например: для сплавов, которые образуют механическую смесь в твердом состоянии свойство сплавов изменяются по линейному закону, т.е. аддитивно.
Классификация и основные свойства проводниковых и полупроводниковых материалов