Дырочные полупроводники

Дырочным полупроводником или полупроводником типа p (от латин­ского positive – положительный) называется полупроводник, в кристалли­ческой решётке которого (рис. 1.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами.

В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел элек­трон, возникает дырка.

В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации ак­цепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается p_p, они являются основными носителями заряда, а концентрация электро­нов обозначается  n_p, они являются неосновными носителями заряда.

В состоянии теплового равновесия концентрация дырок в полупроводнике p-типа p_p и свободных электронов n_p определяется из соотношений:

p_p = n_i  exp((W_ip – W_фр) / (kT));                               (1.7)          

 n_p = n_i exp((W_фр– W_ip) / (kT)).                               (1.8)

Из уравнений (1.7) и (1.8) следует, что для полупроводника p-типа вы­полняется неравенство n_p>> p_p.

Если считать, что при комнатной температуре все акцепторные атомы ионизированы, т. е. p_pN_a, n_p0 = 0, то на основании соотношения можно записать

W_фр= W_ip – kTLn(N_a  / n_i),                                  (1.9)

где Na – концентрация акцепторных атомов в полупроводнике.

Соотношение (1.9) показывает, что уровень Ферми в полупроводнике
p-типа располагается в нижней половине запрещенной зоны, так как Na >> ni, и при повышении температуры смещается к середине запрещенной зоны за счёт ионизации атомов основного полупроводника.

Кроме того, на основании уравнений (1.4), (1.5), (1.7) и (1.8) можно за­писать следующее выражение:

n_np_n= p_nn_p= n²_i,                                                                (1.10)

которое показывает, что введение в полупроводник примесей приводит к увеличению концентрации одних носителей заряда и пропорциональному уменьшению концентрации других носителей заряда за счёт роста вероят­ности их рекомбинации.

Увеличение концентрации примеси приближает уровень Ферми к гра­ницам запрещенной зоны. При концентрации примесей порядка 10¹⁵ – 10¹⁹ см^-3 уровень Ферми расположен сравнительно далеко от границ запре­щенной зоны. Такое состояние полупроводника называется невырожден­ным. При более высокой концентрации примесей возрастает взаимодейст­вие примесных атомов и происходит расширение полосы, занимаемой энергетическими уровнями этих атомов, в результате эта полоса слива­ется с ближайшей к ней зоной разрешенных уровней, а уровень Ферми оказывается за пределами запрещенной зоны. Такое состояние полупро­водника называется вырожденным.
В этом состоянии полупроводник ста­новится почти проводником.