БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ПО)

Условие сильного легирования: × a ~ 1, легко достигается для примесей, создающих уровни с малой энергией связи (мелкие уровни). Например, в Ge и Si, легированных примесями элементов III или V групп, это условие выполняется уже при N пр ~ 10 18—10 19 см -3 в то время как удаётся вводить эти примеси в концентрациях вплоть до N пр ~ 10 21 см -3 при плотности атомов основного вещества ~ 5×10 22 см -3. В П. A IVB Vпрактически всегда с большой концентрацией (³ 10 17—10 18 см -3 ) присутствуют вакансии одного из компонентов, а энергии связи носителей с этими вакансиями малы, так что условие a > 1 практически всегда выполнено.

Равновесные концентрации носителей тока в полупроводниках. При отсутствии внешних воздействий (освещения, электрического поля и т.п.) концентрации электронов и дырок в П. полностью определяются температурой, шириной его запрещенной зоны D E , эффективными массами носителей, концентрациями и пространственным распределением примесей и дефектов, а также энергиями связи электронов и дырок с ними. Это т. н. равновесные концентрации носителей.

При самых низких температурах (вблизи Т = 0 К) все собственные электроны П. находятся в валентной зоне и целиком заполняют её, а примесные локализованы вблизи примесей или дефектов, так что свободные носители отсутствуют. При наличии в образце доноров и акцепторов электроны с доноров могут перейти к акцепторам. Если концентрация доноров N d больше концентрации акцепторов N a, то в образце окажется N a отрицательно заряженных акцепторных ионов и столько же положительно заряженных доноров. Только N d— N a доноров останутся нейтральными и способными с повышением температуры отдать свои электроны в зону проводимости. Такой образец является П. n -типа с концентрацией носителей N d— N a. Аналогично в случае N a > N d П. имеет проводимость р -типа. Связывание донорных электронов акцепторами называется компенсацией примесей, а П., содержащие доноры и акцепторы в сравнимых концентрациях, — компенсированными.

С повышением температуры тепловое движение «выбрасывает» в зону проводимости электроны с донорных атомов и из валентной зоны (для определённости имеется в виду проводимость n -типа). Однако если энергия ионизации донора E d << DE (что обычно имеет место), а температура не слишком высока, то первый из этих процессов оказывается доминирующим, несмотря на то, что число доноров во много раз меньше числа валентных электронов. У П. появляется заметная примесная электронная проводимость, быстро растущая с ростом температуры. Концентрация электронов в зоне проводимости при этом во много раз больше концентрации дырок в валентной зоне. В таких условиях электроны называются основными носителями, а дырки — неосновными (в П. р -типа наоборот: основные носители — дырки, неосновные — электроны). Рост концентрации свободных носителей с температурой продолжается до тех пор, пока все доноры не окажутся ионизованными, после чего концентрация в широком температурном интервале остаётся почти постоянной и равной: n = N d— N a. Число же электронов, забрасываемых тепловым движением в зону проводимости из валентной зоны, продолжает экспоненциально нарастать и при некоторой температуре становится сравнимым с концентрацией примесных электронов, а потом и во много раз большим, т. е. снова начинается быстрое возрастание с температурой суммарной концентрации свободных носителей. Это область собственной проводимости П., когда концентрации электронов n и дырок р практически равны: n = p = n i. Рост числа собственных носителей тока продолжается вплоть до самых высоких температур, и концентрация их может достигать при Т = 1000 К значений, лишь на 1—3 порядка меньших, чем концентрация электронов проводимости в хороших металлах. температура, при которой происходит переход от примесной к собственной проводимости, зависит от соотношения между E d и D E , а также от концентраций N d и N a. В Ge с примесью элементов V группы полная ионизация доноров происходит уже при температурах Т ~ 10 К, если N d ~10 13 см -3 и при Т = 30 К, если N d ~ 10 16 см -3, а переход к собственной проводимости при Т = 300 К для N d ~ 10 13 см -3 и при Т = 450 К для N d ~ 10 16 см -3 ( рис. 5 ).

Определение равновесных концентраций носителей тока в П. основывается на распределении Ферми (см. Статистическая физика ) электронов по энергетическим состояниям (в зонах и на примесных уровнях). Вероятность f того, что состояние с энергией E занято электроном, даётся формулой:

Здесь E F— уровень Ферми — энергия, отделяющая уровни преимущественно заполненные ( f > 1/ 2) от преимущественно незаполненных ( f < 1/ 2).

Если уровень Ферми лежит в запрещенной зоне на расстоянии > kT от дна зоны проводимости и от потолка валентной зоны, то в зоне проводимости f << 1, т. е. мало электронов, а в валентной зоне 1 — f << 1 , т. е. мало дырок. В этом случае принято говорить, что электроны и дырки невырождены, в отличие от случая вырождения, когда уровень Ферми лежит внутри одной из разрешенных зон, например в зоне проводимости на расстоянии >> kT от её дна. Это означает, что все состояния в этой зоне от дна до уровня Ферми заполнены носителями тока с вероятностью f ( E ) » 1 .

Положение уровня Ферми зависит от температуры и легирования. В объёме пространственного однородного П. оно определяется условием сохранения полного числа электронов или, иными словами, условием электронейтральности:

n + N a - = р + N + d (10)

Здесь N d— концентрация ионизованных доноров, N a -— акцепторов, захвативших электрон.

В сильно легированных П. концентрация носителей остаётся постоянной и равной ( N d— N a ) при всех температурах вплоть до области собственной проводимости, где они не отличаются от др. П. (кривая 2, рис. 5 ). При низких температурах носители в сильно легированных П. вырождены, и такие П. формально следовало бы отнести к плохим металлам. Они действительно обнаруживают ряд металлических свойств, например сверхпроводимость (SrTiO 3, GeTe, SnTe) при очень низких температурах.

Неравновесные носители тока. Важной особенностью П., определяющей многие их применения, является возможность относительно легко изменять в них концентрации носителей по сравнению с их равновесными значениями, т. е. вводить дополнительные, неравновесные (избыточные) электроны и дырки. Генерация избыточных носителей возникает под действием освещения, облучения потоком быстрых частиц, приложения сильного электрического поля и, наконец, инжекции («впрыскивания») через контакты с др. П. или металлом.