Электронный полупроводник

Пусть занятый электронами энергетический уровень примесного атома находится вблизи дна зоны проводимости (рис.6). Электроны на этих примесных уровнях не могут участвовать в проводимости. Но энергия, необходимая для

перевода этих электронов в свободную зону ΔЕ_П, относительно мала и сравнима с энергией теплового движения Е_Т~ kT при комнатных температурах. Поэтому, при комнатных температурах собственная проводимость такого полупроводника мала, а основную роль играют переходы с примесного уровня в зону проводимости. Число электронов, попавших в зону проводимости с примесных уровней, равно:

,

где , N_П - концентрация примесей, N_C – число свободных мест в зоне проводимости.

Таким образом, при низких температурах в проводимости рассмотренного кристалла доминирующую роль играют электроны, перешедшие в зону проводимости с примесных уровней. Такой механизм проводимости называется примесным механизмом. Полупроводник, проводимость которого осуществляется электронами и в основном определяется примесями, называется примесным электронным полупроводником. Атомы, отдавшие электроны в зону проводимости, называются донорами. Энергетические уровни, образованные примесными атомами, называются донорными уровнями.

Для электронного полупроводника справедливо также соотношение (5). При низких температурах, когда число электронов в зоне проводимости много меньше, чем общее число электронов на донорных уровнях, зависимость является линейной с тангенсом угла наклона .

При достаточно высоких температурах все электроны с донорных уровней переходят в зону проводимости и наступает истощение примесных уровней. Концентрация свободных электронов в зоне проводимости при этом становится постоянной, не зависящий от температуры. На температурной зависимости проводимости это проявляется в виде горизонтального участка (рис.7). При дальнейшем повышении температуры возрастает вклад в проводимость электронов, перешедших в зону проводимости из валентной зоны, и полупроводник становится собственным. При некоторой концентрации примесей горизонтальный участок на кривой исчезает (рис.8). Это связано с тем, что переход электронов в зону проводимости из валентной зоны начинается раньше, чем происходит истощение электронов на примесных уровнях. При дальнейшем повышении концентрации примесей наклон на участке примесной проводимости начинает уменьшаться и при некоторой концентрации примесей обращается в нуль. Это значит, что концентрация свободных электронов в зоне проводимости остается постоянной от самых низких температур до температур, при которых начинается собственная проводимость. Такие соединения называются полуметаллами. При низких температурах полуметаллы ведут себя как металлы. У них концентрация носителей постоянна, а электропроводность падает с ростом температуры за счет уменьшения подвижности носителей. При высоких температурах эти соединения являются полупроводниками. У них проводимость растет экспоненциально за счет роста концентрации носителей.