Электронные полупроводники

Электронным полупроводником или полупроводником типа n (от латин­ского negative – отрицательный) называется полупроводник, в кристалли­ческой решетке которого (рис. 1.3) помимо основных (четырехвалентных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые доно­рами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона при­месного атома заняты в ковалентных связях, а пятый («лишний») электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной тем­пературе практически все примесные атомы оказываются ионизирован­ными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупро­воднике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки, однако концентрация возникающих в ре­зультате генерации электронов и дырок значительно меньше концентра­ции свободных электронов, образующихся при ионизации примесных ато­мов, так как энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, сущест­венно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов.

Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается n_n, а концентрация дырок –p_n. Электроны в этом случае являются основ­ными носителями заряда, а дырки – неосновными.

В состоянии теплового равновесия в таком полупроводнике концентрации свободных электронов n_n и дырок p_n определяются соотношениями:

n_n =A_n exp((W_фп – W_дн) / (kT));        p_n = A_p exp((W_в–W_фп) / (kT).;          (1.3)

С учётом соотношений (1.1) и (1.2) их можно представить в следующем виде:

                                    n_n =n_i exp((W_фп–W_in) / (kT));                                (1.4)

                                    p_n = n_i exp((W_in – W_фп) / (kT)).                               (1.5)

Из этих соотношений следует, что для полупроводника n-типа выпол­няется неравенство n_n>> p_n.

Если считать, что при комнатной температуре все атомы донорных приме­сей ионизированы (n_n = Nд, p_n0), то на основании выражения (1.4) можно за­писать:

W_фп = W_in + kTLn(N_д  /n_i),                                      (1.6)

где N_д – концентрация донорных атомов в полупроводнике.

Из соотношения (1.6) видно, что в полупроводниках n-типа уровень Ферми располагается в верхней половине запрещенной зоны, и тем ближе к зоне проводимости, чем больше концентрация доноров. При увеличении температуры уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны за счёт ионизации основных атомов полупроводника.