-->
|
|
|
Ãëàâà 3. Ýëåêòðè÷åñêèé òîê â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ § 3.16. Ïðèìåñíàÿ ýëåêòðîïðîâîäíîñòü ïîëóïðîâîäíèêîâ
Ñîáñòâåííàÿ ïðîâîäèìîñòü ïîëóïðîâîäíèêîâ îáû÷íî íåâåëèêà, òàê êàê ìàëî ÷èñëî ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ. Íàïðèìåð, â ãåðìàíèè ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå nå = 3 • 1013 ñì-3.  òî æå âðåìÿ ÷èñëî àòîìîâ ãåðìàíèÿ â 1 ñì3 ïîðÿäêà 1023. Òàêèì îáðàçîì, ÷èñëî ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî îäíó äåñÿòèìèëëèàðäíóþ ÷àñòü îò îáùåãî ÷èñëà àòîìîâ. Ñîáñòâåííàÿ ïðîâîäèìîñòü ïîëóïðîâîäíèêîâ èìååò íåêîòîðîå ñõîäñòâî ñ ïðîâîäèìîñòüþ âîäíûõ ðàñòâîðîâ èëè ðàñïëàâîâ ýëåêòðîëèòîâ. È â òîì, è â äðóãîì ñëó÷àå âîçíèêíîâåíèå ñâîáîäíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà îáóñëîâëåíî òåïëîâûì äâèæåíèåì. Ïîýòîìó è ó ïîëóïðîâîäíèêîâ, è ó âîäíûõ ðàñòâîðîâ èëè ðàñïëàâîâ ýëåêòðîëèòîâ íàáëþäàåòñÿ óâåëè÷åíèå ïðîâîäèìîñòè ñ ðîñòîì òåìïåðàòóðû. Ñóùåñòâåííàÿ îñîáåííîñòü ïîëóïðîâîäíèêîâ ñîñòîèò â òîì, ÷òî â íèõ ïðè íàëè÷èè ïðèìåñåé íàðÿäó ñ ñîáñòâåííîé ïðîâîäèìîñòüþ âîçíèêàåò äîïîëíèòåëüíàÿ — ïðèìåñíàÿ ïðîâîäèìîñòü. Èçìåíÿÿ êîíöåíòðàöèþ ïðèìåñè, ìîæíî çíà÷èòåëüíî èçìåíèòü ÷èñëî íîñèòåëåé çàðÿäà òîãî èëè èíîãî çíàêà. Áëàãîäàðÿ ýòîìó ìîæíî ñîçäàâàòü ïîëóïðîâîäíèêè ñ ïðåèìóùåñòâåííîé êîíöåíòðàöèåé ëèáî îòðèöàòåëüíî, ëèáî ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûõ íîñèòåëåé. Ýòà ñïîñîáíîñòü ïîëóïðîâîäíèêîâ è îòêðûâàåò øèðîêèå âîçìîæíîñòè äëÿ èõ ïðàêòè÷åñêîãî ïðèìåíåíèÿ. Äîíîðíûå ïðèìåñèÅñëè ïðè âûðàùèâàíèè ìîíîêðèñòàëëà ãåðìàíèÿ â ðàñïëàâ äîáàâèòü íåáîëüøîå êîëè÷åñòâî ìûøüÿêà èëè ñóðüìû, òî ïðè êðèñòàëëèçàöèè àòîìû ïðèìåñè âûòåñíÿþò îòäåëüíûå àòîìû ãåðìàíèÿ èç èõ ìåñò â êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêå (ðèñ. 3.47). Ìûøüÿê (è ñóðüìà) èìåþò ïî ïÿòü âàëåíòíûõ ýëåêòðîíîâ. Ïîýòîìó àòîìû ïðèìåñè, îáðàçîâàâ êîâàëåíòíûå ñâÿçè ñ ÷åòûðüìÿ áëèæàéøèìè àòîìàìè ãåðìàíèÿ è èñïîëüçîâàâ äëÿ ýòîãî ÷åòûðå âàëåíòíûõ ýëåêòðîíà, áóäóò èìåòü ïî îäíîìó ëèøíåìó ýëåêòðîíó, ñëàáî ñâÿçàííîìó ñ àòîìíûì ÿäðîì. Âñëåäñòâèå òåïëîâîãî äâèæåíèÿ ïðàêòè÷åñêè âñå ëèøíèå ýëåêòðîíû àòîìîâ ïðèìåñè îêàçûâàþòñÿ ñâîáîäíûìè (ñì. ðèñ. 3.47). Ïðè äîáàâëåíèè îäíîé äåñÿòèìèëëèîííîé äîëè àòîìîâ ìûøüÿêà êîíöåíòðàöèÿ ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ñòàíîâèòñÿ ðàâíîé 1016 ñì-3. Ýòî â òûñÿ÷ó ðàç áîëüøå êîíöåíòðàöèè ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ â ÷èñòîì ïîëóïðîâîäíèêå.
Ïðèìåñè, ëåãêî îòäàþùèå ýëåêòðîíû è, ñëåäîâàòåëüíî, óâåëè÷èâàþùèå ÷èñëî ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ, íàçûâàþò äîíîðíûìè (îòäàþùèìè, äàðÿùèìè) ïðèìåñÿìè. Ïðè íàëè÷èè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû ïðèõîäÿò â óïîðÿäî÷åííîå äâèæåíèå â êðèñòàëëå ïîëóïðîâîäíèêà, è â íåì âîçíèêàåò ýëåêòðîííàÿ ïðèìåñíàÿ ïðîâîäèìîñòü. Ïîëóïðîâîäíèêè ñ òàêîé ïðîâîäèìîñòüþ íàçûâàþòñÿ ýëåêòðîííûìè èëè ïîëóïðîâîäíèêàìè n-òèïà. Ïîñêîëüêó â ïîëóïðîâîäíèêå n-òèïà ÷èñëî ýëåêòðîíîâ çíà÷èòåëüíî áîëüøå ÷èñëà äûðîê, òî ýëåêòðîíû ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûìè íîñèòåëÿìè çàðÿäà, à äûðêè — íåîñíîâíûìè. Àêöåïòîðíûå ïðèìåñèÅñëè ïðè âûðàùèâàíèè ìîíîêðèñòàëëà ãåðìàíèÿ â ðàñïëàâ äîáàâèòü íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî òðåõâàëåíòíûõ àòîìîâ, íàïðèìåð, èíäèÿ èëè ãàëëèÿ, òî ïðè îáðàçîâàíèè êðèñòàëëà àòîìû ïðèìåñè âûòåñíÿò èç ñâîèõ ìåñò îòäåëüíûå àòîìû ãåðìàíèÿ. Ïðè çàìåùåíèè â êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêå àòîìà ãåðìàíèÿ àòîìîì ïðèìåñè, èìåþùèì òðè âàëåíòíûõ ýëåêòðîíà, òðè ñâÿçè àòîìà ïðèìåñè ñ àòîìàìè ãåðìàíèÿ îêàæóòñÿ çàïîëíåííûìè, à îäíà ñâÿçü ÷åòâåðòîãî àòîìà ãåðìàíèÿ (ñîñåäà àòîìà ïðèìåñè) — íåçàïîëíåííîé. Ñëåäîâàòåëüíî, â ðåøåòêå îáðàçóåòñÿ äûðêà (ðèñ. 3.48). Êàæäûé àòîì òðåõâàëåíòíîé ïðèìåñè îáðàçóåò â êðèñòàëëå ïîëóïðîâîäíèêà îäíó äûðêó. Òàêîãî ðîäà ïðèìåñè íàçûâàþòñÿ àêöåïòîðíûìè (ïðèíèìàþùèìè). Ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ äûðêè ïåðåìåùàþòñÿ â íàïðàâëåíèè âåêòîðà íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ, è â ïîëóïðîâîäíèêå âîçíèêàåò äûðî÷íàÿ ïðèìåñíàÿ ïðîâîäèìîñòü. Ïîëóïðîâîäíèêè ñ ïðåîáëàäàíèåì äûðî÷íîé ïðîâîäèìîñòè íàä ýëåêòðîííîé íàçûâàþòñÿ ïîëóïðîâîäíèêàìè ð-òèïà.  ïîëóïðîâîäíèêå p-òèïà îñíîâíûìè íîñèòåëÿìè çàðÿäà ÿâëÿþòñÿ äûðêè, à íåîñíîâíûìè — ýëåêòðîíû. Åñëè â ïîëóïðîâîäíèê îäíîâðåìåííî ââîäÿòñÿ è äîíîðíûå è àêöåïòîðíûå ïðèìåñè, òî õàðàêòåð ïðîâîäèìîñòè ïîëóïðîâîäíèêà (n- èëè p-òèï) îïðåäåëÿåòñÿ ïðèìåñüþ ñ áîëåå âûñîêîé êîíöåíòðàöèåé íîñèòåëåé çàðÿäà — ýëåêòðîíîâ èëè äûðîê.
|
|
|