PRZEWODNICTWO DOMIESZKOWE

Jeśli niektóre atomy półprzewodnika zastąpimy atomami innego pierwiastka tzw. atomami domieszkowymi to widmo energetyczne tego półprzewodnika będzie różniło się od widma półprzewodnika czystego. Poziomy domieszkowych atomów lokują się między poziomami czystego półprzewodnika. Poziomy te rozmieszczają się także w przerwie energetycznej półprzewodnika czystego. Stąd domieszki mają decydujący wpływ na przewodność półprzewodnika. Występują dwa charakterystyczne poziomy domieszkowe: -donorowe - powstają w górnej części przerwy energetycznej; -akceptorowe - powstają w dolnej części przerwy energetycznej; Poziomy donorowe - Na przykładzie krzemu domieszkowanego fosforem omówimy wpływ domieszek pierwiastków V grupy na strukturę elektronową półprzewodników IV grupy krzemu lub germanu. Niech w krysztale krzemu część atomów zostanie zastąpiona przez atomy fosfor. Struktura elektronowa atomu krzemu jest: Si: 1s²2s²2p⁶3s²3p²- 4 atomy zewnętrzne; Si: 1s²2s²2p⁶3s²3p³- 5 atomów zewnętrznych;

W sieci krystalicznej krzemu każdy atom Si sąsiaduje z czterema takimi samymi elektronami z którymi tworzy wiązanie walencyjne. Atom fosforu aby utworzyć wiązanie z sąsiednimi atomami Si potrzebuje tylko 4 elektronów - jeden elektron nie uczestniczy w wiązaniu. 5 elektron porusza się w polu reszty atomowej fosforu o ładunku +e i w znacznej odległości. W tym przypadku atom fosforu staje się podobny do atomów wodoru. Schemat energetyczny w tym przypadku.

Energia wiązania piątego elektronu P wynosi E_d 0,045eV. Jeżeli elektronowi fosforu zostanie dostarczona energia 0,045eV oderwie się on id atomu fosforu i uzyska możliwość swobodnego przemieszczania się w krysztale.

Energia E_d jest bardzo mała E_d<<E_g z tej przyczyny przy T=300K wszystkie atomy donorowe są zjonizowane (koncentracja domieszek jest równa koncentracji elektronów donorowych) N_d=n_d (każdy atom fosforu oddaje jeden elektron). W tym przypadku elektrony są nośnikami większościowymi, a dziury są nośnikami mniejszościowymi. Taki układ półprzewodnika nazywamy półprzewodnikiem typu n. Poziomy akceptorowe - Domieszki atomów III grupy np.: B, Al., Ga, In w półprzewodnikach IV grupy nazywamy domieszkami akceptorowymi. Załóżmy że w sieci krzemu część atomów krzemu została zastąpiona przez atomy trójwartościowe boru. B:1s²2s²2p¹ . Atomy boru do kompletnego wiązania z czterema najbliższymi sąsiadami brakuje 1 elektronu. Schemat energetyczny.

Elektron ten może zostać pożyczony z atomu Si przy czym przechwycony elektron zajmuje wyższy od pasma walencyjnego poziom lokalny. Schemat energetyczny wygląda wtedy:

Trzeba zauważyć, że bliskie odległości E_a poziomów akceptorowych powoduje, że już w niskich temperaturach elektrony z poziomu walencyjnego przechodzą na poziomy akceptorowe, takie elektrony tracą możliwość poruszania się w sieci kryształu. Nośnikami ładunku są dziury powstające w paśmie walencyjnym. Dlatego przewodnictwo krzemu jest w tym przypadku dziurowe - półprzewodnik typu p. Występuje w nim też pełne przewodnictwo elektronowe w paśmie przewodnictwa ale ze względu na to że E_g>>E_a; E_e=0,045eV, elektrony w tym przypadku są nośnikami mniejszościowymi.

ZJAWISKA KONTAKTOWE ZŁĄCZE P-N

Rozpatrzmy półprzewodniki o różnych typach przewodnictwa. Złącze elektronowo-dziurowe występuje na granicy półprzewodników typu n i p (złącze p-n) najczęściej w Ge lub Si. Złącze p-n w krzemie.

W niezbyt niskich temperaturach wszystkie domieszki są zjonizowane dlatego w obszarze p koncentracja dziur p=n_n , a w głębi obszaru n koncentracja elektronów przewodnictwa n=n_d. W odosobnionych półprzewodnikach (n i p) poziomy Fermiego są położone na różnych wysokościach.

Jeżeli między obydwoma kryształami istnieje kontakt elektryczny i swobodne nośniki mogą przenikać z jednego do drugiego obszaru to obszary te utworzą jednorodny układ i poziomy Fermiego znajdują się w nich na tej samej wysokości.

Dziury będą dryfowały z lewego obszaru p do prawego obszaru n, natomiast elektrony przewodnictwa przechodzą przez płaszczyzny x=0 w kierunku przeciwnym. Prowadzi to do powstania z lewej strony x=0 dyfuzyjnej warstwy ładunków ujemnych a z drugiej strony warstwy ładunków dodatnich.

Taka podwójna warstwa wytwarza skok potencjału  ₀. Przeciwdziałający dalszemu przechodzeniu elektronów w lewo, a dziur w prawo. Płaszczyzny x=x_n i x=x_p określają granice warstwy podwójnej czyli obszaru dużych zmian potencjału w złączu p-n w stanie równowagi nie płynie żaden prąd - całkowity prąd przepływający przez złącze w warunkach równowagi jest równy 0. Płynące przez złącze prądy dyfuzji i dryfu wzajemnie się kompensują. Prądy dyfuzji są spowodowane różną koncentracją danego nośnika ładunku, a prądy dryfu gradientem potencjału:
. Kiedy przyłoży się do obszaru p dodatni potencjał takie złącze staje się spolaryzowane w kierunku przewodnictwa. Dodatni zewnętrzny potencjał V₂zmniejsza skok ujemnego potencjału _ i wywołuje dodatkowy przepływ dziur z obszar p do n. Dziury przenikające w głąb obszaru n stopniowo rekombinują z elektronami. Tak że w miarę oddalania się od złącza koncentracja dziur spada do wartości w stanie równowagi. W analogiczny sposób zachowują się elektrony przenikające z n do p. Czysto dziurowy prąd obszaru p przechodzi w czysto elektronowy prąd obszaru n. Energetyczny rozkład spolaryzowanego złącza.

Takie przenikanie mniejszościowych nośników prądu (dziur do n i elektronów do p) nazywa się wstrzykiwaniem (iniekcją). W tym przypadku gdy dziury w obszarze p i elektrony w obszarze n poruszają się w kierunku złącza, opór i grubość złącza maleje. Prąd będzie wzrastał szybciej niż by to wynikało z prawa Ohma. Taki kierunek przepływu - kierunek prądu.

Rozpatrzymy przepływ prądu w kierunku odwrotnym. Złącze ma własności prostujące. Przyłóżmy do obszaru n - biegun dodatni, do p - biegun ujemny. W tym wypadku wysokości wysokość bariery złącza wzrasta. Energetyczny rozkład.

Tylko niewiele elektronów jest zdolnych do poruszania się z obszaru n do p. W rezultacie prąd jest bardzo mały, a opór elektryczny łącza jest duży. Warunek V₂ odpowiada polaryzacji w kierunku zaporowym.

Charakterystyka prądowo - napięciowa złącza p-n.

---