Conductibilitatea impurităților semiconductorilor - conductivitate electrică datorită prezenței impurităților donor sau acceptoare în semiconductor .
Conductivitatea impurităților, de regulă, este mult mai mare decât a ei și, prin urmare, proprietățile electrice ale semiconductorilor sunt determinate de tipul și cantitatea de dopanți introduși în ea .
Conductivitatea intrinsecă a semiconductorilor este de obicei scăzută, deoarece numărul de electroni liberi, de exemplu, în germaniu la temperatura camerei, este de ordinul a 3·10 13 / cm 3 . În același timp, numărul de atomi de germaniu în 1 cm 3 este ~ 10 23 . Conductivitatea semiconductorilor crește odată cu introducerea de impurități, când, împreună cu conductivitatea intrinsecă, apare o conductivitate suplimentară a impurităților.
Centrele de impurități pot fi:
Prin modificarea concentrației de impurități, se poate crește semnificativ numărul de purtători de sarcină de un semn sau altul și de a crea semiconductori cu o concentrație predominantă de purtători încărcați fie negativ, fie pozitiv.
Impuritățile pot fi împărțite în donator (donare) și acceptor (primire).
Să luăm în considerare mecanismul conductivității electrice a unui semiconductor cu o impuritate pentavalentă donor de arsenic As 5+ , care este introdus într-un cristal, de exemplu, siliciu. Un atom de arsen pentavalent donează patru electroni de valență pentru a forma legături covalente, iar al cincilea electron este neocupat în aceste legături.
Energia de detașare (energia de ionizare) a celui de-al cincilea electron de valență al arsenului din siliciu este de 0,05 eV = 0,08·10 −19 J, care este de 20 de ori mai mică decât energia de detașare a unui electron de un atom de siliciu. Prin urmare, deja la temperatura camerei, aproape toți atomii de arsen își pierd unul dintre electroni și devin ioni pozitivi. Ionii de arsen pozitivi nu pot capta electronii atomilor vecini, deoarece toate cele patru legături ale acestora sunt deja echipate cu electroni. În acest caz, deplasarea golului de electroni - „gaura” nu are loc, iar conductivitatea găurii este foarte mică, adică practic absentă. O mică parte din atomii proprii ai semiconductorului este ionizată, iar o parte din curent este formată din găuri, adică impuritățile donatoare sunt impurități care furnizează electroni de conducție fără apariția unui număr egal de găuri mobile. Ceea ce ajungem este un semiconductor cu conducție predominant electronică, numit semiconductor de tip n .
În cazul unei impurități acceptoare, de exemplu, indiul trivalent în 3+ , atomul de impuritate își poate da cei trei electroni pentru legarea covalentă cu doar trei atomi de siliciu învecinați, iar un electron „lipsește”. Unul dintre electronii atomilor de siliciu vecini poate umple această legătură, apoi atomul In va deveni un ion negativ imobil și se va forma o gaură în locul electronului care a lăsat unul dintre atomii de siliciu. Impuritățile acceptoare, captând electroni și creând astfel găuri mobile, nu măresc numărul de electroni de conducție. Purtătorii majoritari de sarcină dintr-un semiconductor cu o impuritate acceptor sunt găuri, iar purtătorii minoritari sunt electronii.
Semiconductorii în care concentrația de găuri depășește concentrația de electroni de conducere se numesc semiconductori de tip p .
Trebuie remarcat faptul că introducerea de impurități în semiconductori, ca în orice metal, perturbă structura rețelei cristaline și împiedică mișcarea electronilor. Cu toate acestea, rezistența nu crește datorită faptului că creșterea concentrației purtătorilor de sarcină reduce semnificativ rezistența. Astfel, introducerea unei impurități de bor în cantitate de 1 atom la suta de mii de atomi de siliciu reduce rezistivitatea electrică a siliciului de aproximativ o mie de ori, iar amestecul unui atom de indiu la 108 -109 atomi de germaniu reduce rezistivitatea electrică. de germaniu de milioane de ori.
Capacitatea de a controla rezistivitatea prin introducerea de impurități este utilizată în dispozitivele semiconductoare.
Conductivitatea găurii nu este o caracteristică exclusivă a semiconductorilor. Unele metale și aliajele lor au o conductivitate mixtă electron-gaură datorită deplasării unei părți a electronilor de valență necolectivi. De exemplu, în aliajele de zinc, beriliu, cadmiu, cupru-staniu predomină componenta de gaură a curentului electric față de cea electronică.
Dacă atât impuritățile donor, cât și cele acceptoare sunt introduse simultan într-un semiconductor, atunci natura conductibilității (de tip n sau p) este determinată de o impuritate cu o concentrație mai mare de purtători de curent - electroni sau găuri.
Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: Proc. indemnizație pentru instituțiile care oferă general. medii, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Minsk: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 302-303.