9.2. Легирование полупроводников. Примесная
проводимость полупроводников

Если при выращивании кристалла германия в расплав добавляется небольшое количество мышьяка (или другого элемента с валентностью 5), то последний внедряется в решетку кристалла с четырьмя ковалентными связями, и четыре из его пяти валентных электронов образуют необходимые ковалентные связи. Оставшийся пятый электрон занимает состояние, расположенное чуть ниже зоны проводимости образуя донорный уровень (рис.9.3 а). Далее незначительное тепловое возбуждение может перевести этот электрон в зону проводимости. Следовательно, электронов проводимости будет почти столько же,  сколько атомов мышьяка. Обычно электронов проводимости оказывается намного больше, чем электронов, попавших в зону проводимости из валентной зоны благодаря тепловому движению. Такой полупроводник называется полупроводником n-типа (п означает, что носители заряда являются отрицательными).

Кристаллы германия или кремния можно легировать также галлием (или другим элементом с валентностью 3). В этом случае атом галлия в решетке кристалла при формировании четырех валентных связей будет присоединять соседний электрон, т.е. будет образовывать примесный акцепторный уровень, расположенный чуть выше края валентной зоны(рис.9.3 б). Далее незначительное тепловое возбуждение может перевести электрон из валентной зоны на соответствующий акцепторный уровень. При этом в валентной зоне образуется дырка, и мы получаем полупроводник р - типа (р означает, что носители заряда являются положительными).

Уровень Ферми в полупроводниках n - типа располагается в верхней половине запрещенной зоны (рис. 9.3 а), а в полупроводниках p – типа - в нижней половине запрещенной зоны (рис. 9.3 б). При повышении температуры уровень Ферми в полупроводниках обоих типов смещается к середине запрещенной зоны.
Температурная зависимость электропроводности примесных полупроводников, как и собственных, определяется в основном температурной зависимостью концентрации носителей. Это обуславливает одинаковый характер температурной зависимости собственной и примесной проводимости полупроводников

 (n – тип),     (р – тип)             (9.7)

где En и Ep – энергии ионизационных примесных атомов, или энергии донорных и акцепторных уровней соответственно,  - коэффициент, слабо зависящий от температуры. Примесной проводимости соответствует значительно меньшая энергия активации, чем собственной проводимости полупроводников. Поэтому, при исследовании температурной зависимости удельной электропроводности примесных полупроводников обычно реализуется три участка (рис. 9.4): 1, отвечающий примесной проводимости полупроводника; 2, соответствующий области истощения примеси, и 3, отвечающий собственной проводимости полупроводника. В зависимости от концентрации примеси Nпр. и энергии примесного уровня происходит трансформация температурной зависимости на участках 1 и 2, но характер зависимости сохраняется (см. кривые a’b’c’ и a”b”c” рис. 9.4).