Фізичні процеси у напівпровідникових приладах

Електропровідність напівпровідника значною мірою залежить від наявності мізерної кількості домішок. Це широко використовується в сучасній електронній промисловості для надання напівпровідникам заданих властивостей.

Найпоширеніший напівпровідниковий матеріал — кремній — чотиривалентний, тобто має чотири валентні електрони, що знаходяться на зовнішній оболонці атома кремнію. Кремній має кристалічну будову – атоми кремнію розміщені у вузлах кристалічної ґратки і зв’язані з чотирма сусідніми атомами ґратки ковалентними зв'язками (рис. 1).

Для домішок використовують або п'ятивалентні елементи (сурма, миш'як, фосфор), або тривалентні (індій, галій, алюміній). Наприклад, у разі заміщення у кристалічній гратці атома кремнію атомом п'ятивалентного миш'яку, чотиривалентні електрони атома миш'яку утворюють ковалентні зв'язки з сусідніми атомами кремнію, а п'ятий електрон буде вільним (рис. 2).

                                                                               Рисунок 1                                     Рисунок 2

 Домішка, внесення якої збільшує концентрацію вільних електронів, називається донорною домішкою. З погляду зонної теорії внесення донорної домішки у напівпровідник створює домішкову валентну зону, яка або перекривається зоною провідності, або відділена від неї вузькою забороненою зоною (рис. 3). Для напівпровідника з донорною домішкою достатньо електричного поля з незначною напруженістю для того, щоб електрони з домішкової зони, долаючи невеликий бар'єр, змогли перейти у зону провідності і забезпечили б проходження струму. Електропровідність напівпровідника з донорною домішкою забезпечується електронами, і тому такий напівпровідник називається n-напівпровідником (від negative — негативний).

Рисунок 3

Розглянемо процеси у напівпровіднику, до складу якого внесли тривалентну домішку (наприклад, індій). Атом індію заміщує у вузлі кристалічної ґратки атом кремнію. Три валентні електрони індію утворюють ковалентні зв'язки з трьома сусідніми атомами кремнію. Для утворення четвертого ковалентного зв'язку не вистачає одного електрона, тобто утворюється «вакантне», незайняте місце — дірка (рис. 4). Домішка, внесеним якої збільшує концентрацію дірок, називається акцепторною.

Рисунок 4

Внесення акцепторної домішки у напівпровідник створює домішкову валентну зону, яка або перекривається валентною зоною, або відділена від неї вузькою забороненою зоною (рис. 5). Для переходу електрона з валентної зони у домішкову необхідно подолати незначний бар'єр. Перехід електрона з валентної зони у домішкову породжує дірку у валентній зоні. Якщо подіяти на такий напівпровідник електричним полем, то електричний струм забезпечуватимуть в основному дірки валентної зони.

Тому напівпровідник з акцепторною домішкою має діркову провідність і називається р-напівпровідником (від positive — позитивний).

У p-напівпровідниках концентрація дірок, зумовлена внесенням акцепторної домішки, набагато більша за концентрацію електронів власної електропровідності напівпровідника. Тому дірки у р-напівпровіднику називаються основними носіями заряду, а електрони — неосновними.

Рисунок 5

У n-напівпровідниках, навпаки, основними носіями є електрони, а неосновними — дірки.