Виды примеси

Примесь в зависимости от ее влияния на тип электропроводно­сти полупроводникового материала различают: акцепторную, донор- ную, амфотерную, а по месту внедрения ее атомов в кристалличе­скую решетку полупроводника — на примесь замещения и внедре­ния.

Акцепторная примесь. Если энергетические уровни атомов при­меси находятся в 33 вблизи ВЗ, то при тепловом или световом воз­действии на материал энергией, равной или большей AW_a (см. рис. 8.1, б), но меньшей, чем AW 33, электроны из ВЗ полупровод­ника будут забрасываться на свободные уровни примеси (табл. 8.4), в результате чего в ВЗ образуются дырки. Ввиду разобщенности атомов примеси электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в образовании электрического тока. Поэтому концентра­ция дырок в ВЗ станет во много раз больше, чем концентрация электронов в ЗП. Электропроводность в данном случае будет дыроч­ная, полупроводник р-типа (позитив — положительный), а при­месь — акцепторная (акцептор — принимающий). Дырочная прово­димость понятие условное. Здесь, как обычно в твердом теле, ток обусловлен направленным движением электронов, заполняющих «дырки», которые «эстафетно» движутся по направлению электри­ческого поля. В полупроводнике с электропроводностью /7-типа дырки называют основными носителями заряда, а электроны — неос­новными носителями заряда.

Донорная примесь. Если уровни примеси располагаются в 33 у края ЗП полупроводника, то электроны с этих уровней будут перехо­дить в ЗП при энергии, равной или большей AW_a (см. рис. 8.1, в), но меньшей, чем ширина AW 33 собственного полупроводника (см. табл. 8.4). Дырки, возникшие на энергетических уровнях примесных атомов, отдаленных друг от друга на значительные расстояния, оста­ются локализованными и не могут участвовать в электропроводно­сти. Поэтому концентрация электронов в ЗП станет во много раз больше, чем концентрация дырок в ВЗ полупроводника. В этом слу­чае электропроводность будет электронная, полупроводник п-типа (негатив — отрицательный), а примесь — донорная (донор — даю­щий). В полупроводнике с электропроводностью п-типа электроны считаются основными носителями заряда, а дырки — неосновными но­сителями заряда.

Таблица 8.4 Примесные уровни в германии и кремнии (определены термическим методом)

Примесь	Акцептор или донор	Энергия активации дырок AWa и электронов AWa, эВ
		Германий	Кремний
в	A	0,0104	0,045
А1	A	0,0102	0,057
Ga	A	0,0108	0,065
In	A	0,0112	0,160
T1	A	—	0,025
Р	D	0,0120	0,044
As	D	0,0127	0,049
Sb	D	0,0096	0,039
Bi	D	—	0,069
Li	D	0,0093	0,033
Zn	A	0,0300; 0,0900	0,092; 0,300
Cd	A	0,0500; 0,1600	—
Mn	A D или A	0,1600 0,3700	—
Ni	A D или A	0,2200 0,3000	—
Co	A D или A	0,2500 0,3100	—
Fe	D D или A	0,3500 0,2700	—
Cu	A D или A	0,0400; 0,3300 0,2600	—
Pt	A D или A	0,0400; 0,2500 0,2000	—
Au	D A D или A	0,0500 0,1500; 0,0400 0,2000	0,390 0,300

Таким образом, AfV_a представляет собой энергию активации (энергию образования) дырок в ВЗ полупроводника в результате теп­лового возбуждения (перехода) электронов из ВЗ на уровни акцеп­торной примеси; AW_R — это энергия активации электронов — энер­гия, необходимая для ионизации атомов примеси, т.е. для теплового заброса электронов с уровней донорной примеси в ЗП полупровод­ника.

В реальных полупроводниковых материалах существуют одно­временно акцепторная и донорная примеси. Поэтому тип электро­проводности определяется той примесью, концентрация которой бу­дет больше. Уровни акцепторной и донорной примесей размещаются
на небольшом расстоянии от потолка ВЗ и дна ЗП соответствено Поэтому их называют мелкими уровнями. Кроме акцепторной и донорной примесей существуют еще примеси амфотерная и ней­тральная.

Амфотерная примесь может играть роль акцепторов и доноров. Созданные ею в 33 дополнительные энергетические уровни, как правило, лежат далеко от дна ЗП и от потолка ВЗ и называются глу­бокими.

Нейтральная примесь не вызывает появления дополнительных носителей заряда, поэтому она не оказывает влияние на тип и величину электропроводности полупроводника.

Функции примеси могут осуществлять не только любые чуже­родные атомы, но и всевозможные дефекты кристаллической решет­ки полупроводника: вакансии, атомы и ионы, находящиеся в междо­узлиях; дислокации, возникающие при пластической деформации, микротрещины и т. п. В полупроводниковых химических соединени­ях роль примеси могут выполнять избыточные по сравнению со сте- хиометрическим составом атомы элементов, образующие данное химическое соединение. Однако управлять типом и величиной элек­тропроводности полупроводников с помощью указанных дефектов невозможно. Поэтому на практике сначала получают полупроводни­ковые материалы с минимально возможным содержанием дефектов (в том числе случайных примесей), после чего их легируют опреде­ленным химическим элементом заданной концентрации, создавая нужный тип и величину удельной электропроводности.

Рис. 8.2. Кристаллическая решетка кремния:

а — без легирующей примеси; б — с акцепторной примесью — бором В; в — с донорной примесью — мышьяком As

Примесь замещения. Рассмотрим роль примеси замещения на примере простого полупроводника кремния Si, являющегося эле­ментом IV группы таблицы Д.И.Менделеева и имеющего структуру алмаза. Химическая связь между атомами Si ковалентная и осущест­вляется четырьмя валентными электронами (рис. 8.2, а). Если атом Si в каком-либо узле решетки заместить атомом трехвалентного эле­мента, например бора В (см. рис. 8.2, б), имеющего всего три валент­ных электрона, то у него для связи с соседними атомами кремния
недостает одного электрона, который «заимствуется» у атома Si. Не­обходимая для этого энергия AW_Z ~ 0,045 эВ меньше, чем та, которая требуется для разрыва ковалентной связи между атомами кремния (AW= 1,12 эВ). При этом в решетке образуется дырка, которая под действием приложенного напряжения начинает перемещаться по на­правлению электрического поля, обусловливая электропроводность р-типа. Следовательно, для кремния трехвалентный бор является ак­цепторной примесью замещения.

Если же атом Si заместить атомом пятивалентного элемента, на­пример мышьяка As (см. рис. 8.2, в), то четыре его валентных элек­трона будут связаны с атомами кремния, а один (пятый) окажется «лишним». Этот пятый электрон не участвует в образовании химиче­ской связи в кристалле кремния. Он продолжает движение вокруг атома (иона) As, электрическое поле которого в кремнии ослаблено в е~ 12,5 раза (е — диэлектрическая проницаемость Si). Вследствие ослабления поля радиус орбиты этого электрона увеличивается в 12,5 раза, а энергия связи его с атомами As уменьшается примерно в е² ~ 151 раз, становясь равной AW_R ~ 0,049 эВ. Получив такую энер­гию, электрон отрывается от атома As и приобретает способность свободно перемещаться по кристаллу (переходит в ЗП). Такие избы­точные электроны создают электропроводность я-типа. Поэтому мышьяк для кремния является донорной примесью замещения.

Роль примеси замещения в полупроводниковых химических со­единениях играют не только чужеродные атомы, но также собствен­ные атомы, избыточные по сравнению со стехиометрическим соста­вом. Например, в полупроводниковом химическом соединении карбида кремния SiC (общая формула А^В™) избыточные атомы кремния обусловливают электропроводность /ьтипа, а избыточные атомы углерода — электропроводность я-типа.

Примесь внедрения — это такая примесь, атомы которой внедря­ются в междоузлие решетки полупроводникового материала. В дан­ном случае тип электропроводности примесного полупроводника бу­дет определяться размером и электроотрицательностью атомов примеси внедрения. Например, атом химического элемента I группы таблицы Д.И. Менделеева Li имеет больший размер, чем атом Si (см. рис. 1.5), но меньшую электроотрицательность (см. табл. 1.1). Поэто­му атом Li, внедряясь в междоузлие решетки кремния, легко теряет свой единственный валентный электрон, обусловливая электропро­водность я-типа. Только потеряв электрон и в результате этого уменьшив свой размер, атом Li может внедриться в междоузлие ре­шетки кремния.

Таким образом, литий для кремния является донорной примесью внедрения. Если в решетку кремния внедрить атом кислорода (эле­мент VI группы), имеющего сравнительно небольшой размер (см. рис. 1.5), но большую электроотрицательность (см. табл. 1.1), чем кремний, то он «захватит» электрон у атома Si. В результате образу­ется электропроводность /ьтипа. Следовательно, кислород для крем­ния является акцепторной примесью внедрения.

Из сказанного следует, что примеси, как замещения, так и вне­дрения, могут выступать в роли акцепторов и доноров, обусловливая у примесного полупроводникового материала электропроводность р- и я-типа соответственно.

При высоком содержании легирующей примеси ширина запрещенной зоны A W полупроводника начинает уменьшаться с дальнейшим ростом кон­центрации примеси. Это явление связано прежде всего с тем, что при концентрации примеси более 10²⁴ м^-3 среднее расстояние между атомами примеси становится меньше 10 нм, которое сравнимо с длиной волны элек­трона. В результате этого происходит перекрытие волновых функций элек­тронов, что приводит к расщеплению примесных уровней в примесные под­зоны. Таким образом, у сильнолегированных полупроводников единый примесный уровень доноров расщепляется в примесную подзону, которая перекрывается с ЗП; при этом А Ж полупроводника уменьшается на некото­рую величину. Например, у кремния с электропроводностью п-типа и кон­центрацией донорной примеси ЛГ_Д = 10²⁵ м~³ при Т= 292 К A W уменьшается на 0,083 эВ.

Дата добавления: 2015-08-09