Електронні напівпровідники

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_р 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_Мені exp((W_фп–W_в) / (kT)); (1.4)

р_N = n_Мені exp((W_в – 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:

У_фп = W_в + kTLn(N_d /n_Мені), (1.6)

де N_d – 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.