Донорная примесь

До́норная при́месь (от англ. donor) — примесь в полупроводнике, ионизация которой приводит к переходу электрона в зону проводимости или на уровень акцепторной примеси.

Физическая природа

В идеальной модели полупроводника считается, что он состоит только из атомов, входящих в его химическую формулу, и расположенных таким образом, что собственные (внутренние) дефекты отсутствуют (нет дефектов по Френкелю и дефектов по Шоттки, дислокаций и др.). Наиболее близкими к такой модели являются собственные полупроводники. В них концентрации электронов и дырок равны друг другу.

В природе таких веществ не бывает, и в реальных полупроводниках всегда присутствует определённая концентрация примесей, определяющая чистоту каждого конкретного образца полупроводника. В особо чистых кристаллах кремния и германия концентрация примесных атомов не превышает $10^{12}-10^{13}$ см⁻¹, но достижение такой степени чистоты материала и его хранение требуют значительных усилий.

Считается, что в отличие от собственных дефектов донорные и акцепторные примеси образуются атомами веществ, отличных от химического состава полупроводника-матрицы. В этом случае важную роль играют валентности вещества-матрицы и примеси. Если валентность примеси превышает валентность полупроводника-матрицы, то в системе полупроводник — примесь образуется дополнительный электрон проводимости, и такую примесь называют донорной. В физике полупроводников носителей заряда, концентрация которых выше, принято называть основными, ниже — неосновными. Если концентрация примеси такова, что электрическая проводимость системы полупроводник — примесь обеспечивается в основном электронами, говорят, что это проводимость $n$-типа. В такой системе концентрация дырок меньше концентрации электронов. В противоположном случае говорят об акцепторной примеси, основными носителями заряда являются дырки, а электрическую проводимость называют проводимостью $p$-типа.

$\mathrm {N} \!\!\mathrm {B} !$Следует помнить, что одно и то же вещество-примесь в разных полупроводниках-матрицах может быть как донорной, так и акцепторной примесью.

Файл:N-Ge.jpg

Донорная проводимость в Ge, легированном As

Рассмотрим модельную систему, в которой полупроводником-матрицей будет элементарный полупроводник — германий (Ge). Его валентность равна 4, следовательно, донорной примесью для кремния будет вещество с валентностью выше 4, например, вещества V группы таблицы Менделеева — мышьяк (As, валентность 5), фосфор (P), висмут (Bi) или сурьма (Sb). В этом случае атом мышьяка (фосфора, висмута или сурьмы), заняв место в узле кристаллической решётки германия, образует 4 ковалентные связи с германием и отдаёт один электрон (другими словами, появится электрон проводимости в зоне проводимости). Если примесных атомов мышьяка достаточно много, концентрация электронов проводимости может обеспечить проводимость $n$-типа.

На рисунке схематически показана схема образования двух донорных электронов проводимости в германии двумя примесными атомами мышьяка. Германий с высокой концентрацией донорной примеси часто обозначают $n$-Ge.

В многокомпонентных полупроводниках в качестве донорной примеси могут выступать атомы электроположительных элементов (Сu, Zn, Cd, Hg и др.), избыточные по отношению к составу, описываемому стехиометрической формулой полупроводника-матрицы.

См. также

• Полупроводники
• Примесная проводимость
• Полупроводниковые материалы

Литература

• Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. — М. : Наука, 1990.
• Стильбанс Л. С. Физика полупроводников. — М. : Советское радио, 1967.
• Шалимова К. В. Физика полупроводников. — СПб. : «Лань», 2010.
• Ансельм А. И. Введение в теорию полупроводников : учебное пособие для вузов. — 3-е изд., стер. — СПб. : Лань, 2008.

Ссылки

• Донорная и акцепторная примесь
• Донорные и акцепторные примеси в полупроводниках

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Донорная примесь», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Донорная_примесь» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».