Доноры. Источником свободных электронов в полупроводнике могут служить примеси — доноры. В школьном курсе физики под­робно рассмотрен пример — примесь мышьяка (As) в кремнии (Si)* Донорное действие Asосновано на том, что четыре валентных элек­трона мышьяка участвуют в создании валентных связей с окружающими атомами кремния, а пятый электрон (Asпятиваленьтен в связи не участвует и может легко оторваться и стать сво­бодным.

Рассмотрим процесс появления свободных электронов за счет доноров на зонной схеме. Примесный атом, как и всякий другой, нейтрален. От него можно оторвать один электрон, затратив опре­деленную энергию. Атом без одного электрона становится положи­тельным ионом. Оторванный электрон попадает в одно из незаня­тых состояний с-зоны. Чем больше энергия, сообщенная электрону, тем больше его энергия в озоне. Минимальная энергия, соответ­ствующая переходу электрона примесного атома на дно с-зоны, носит название энергии ионизации донора e_id.

При любой температуре, отличной от абсолютного нуля, благо­даря взаимодействию с колеблющимися атомами некоторые электро­ны отрываются от доноров и становятся свободными. Это — гене­рация свободных электронов с примесей. При такой генерации свободные дырки не возникают. Генерация уравновешивается ре­комбинацией — захватом свободных электронов положительными ионами с образованием нейтрального донора.

Процессы генерации свободных электронов из и-зоны и с приме­сей протекают одновременно. Однако обычно энергия ионизации донора е_шмала по сравнению с шириной запрещенной зоны еg, поэтому при достаточно низких температурах генерация с приме­сей происходит более интенсивно, чем из с-зоны. В этом случае сво­бодные дырки отсутствуют (точнее, р << п) а концентрация сво­бодных электронов определяется почти исключительно донорами. О таких полупроводниках говорят, что они обладают электронной проводимостью, или проводимостью n-типа.

Чтобы изобразить уровень энергии донорного электрона на зон­ной схеме, надо, очевидно, отложить величину e_idот дна с-зоны вниз. На рисунке 5.6, а показана зонная схема полупроводника с донорами (полупроводник /г-типа). Черточки под дном с-зоны обо­значают уровни энергии донорных электронов. Черная точка обо­значает связанный (находящийся на примесном атоме) электрон. Черточки с точками — уровни, занятые электронами (нейтральные доноры), без точек—незанятые уровни (ионизованные доноры). На рисунке 5.6,а изображены два ионизованных, два нейтраль­ных донора и два свободных элект­рона. Свободные дырки отсутст­вуют.

Акцепторы. Примесь может не только отдать электрон в зону проводимости, но и присоединить к себе лишний электрон. Примесь, обладающая таким свойством, называется акцепторной. Валентному электрону для перехода на акцептор требуется некоторая энергия. Минимальное значение этой энергии носит название энергии ионизации акцептора г1а (акцептор, присоединивший электрон, становится отрицательно заряженным ионом). Если электрон п-зоны переходит на акцептор, в зоне возникает дырка. Поэтому такой процесс можно трактовать как переход дырки с акцептора в озону. Влияние акцепторов на концентрацию свободных дырок существенно, только если &ia < eg.

На рисунке 5.6, б изображена зонная схема полупроводника с акцепторами (полупроводник p-типа). Черная точка по-прежнему обозначает связанный электрон. Теперь черточки без точек обозначают нейтральные акцепторы, а с точками — ионизованные. На рисунке 5.6, б показаны два ионизованных акцептора, два нейтраль^ ных и две дырки. Свободные электроны отсутствуют.
Зависимость п и р от температуры в примесном полупроводнике. На рисунке 5.7 схематически показаны зависимости концентраций электронов п и дырок р от температуры Т в полупроводнике п-типа. При Т = О °К озона полностью заполнена, все доноры нейтральны, свободных электронов и дырок нет совсем: п = р = 0. С ростом температуры донорные электроны первыми начинают переходить в озону (поскольку гш е^).
Концентрация электронов начинает возрастать (участок от нуля до Тг рис. 5.7). При некоторой температуре Тг все доноры станут ионизованными. Дальнейшее увеличение концентрации п возможно только за счет переходов электронов из озоны, но для этого требуется значительная энергия, поэтому такой процесс начинает сказываться лишь при некоторой более высокой температуре Т 2. Таким образом, в области между Т1>Т2 концентрация п равна концентрации доноров Nd и практически не зависит от температуры — это область примесного истощения (все электроны с доноров уже перешли в с-зону). Во всем интервале температур от нуля до Т2 концентрация п определяется электронами примесей. Количество электронов, покидающих сьзону, еще очень мало, поэтому и концентрация свободных дырок в этой области пренебрежимо мала по сравнению с концентрацией электронов. Это область примесной проводимости.
При Т > Т2 концентрация п начинает заметно расти за счет переходов электронов из у-зоны. Соответственно увеличивается и концентрация дырок р. Когда она приближается к п, наступает область собственной проводимости.
Все сказанное очень легко перефразировать применительно к полупроводнику p-типа: нужно только во всех рассуждениях поменять местами дырки и электроны, а также доноры и акцепторы. Рисунок 5.7 можно использовать и для иллюстрации зависимостей р и п от температуры Т в полупроводнике p-типа. Для этого следует только считать, что верхняя кривая изображает зависимость концентрации дырок, а нижняя — электронов. Концентрация дырок в области примесного истощения равна концентрации акцепторов, которую мы будем обозначать как N а.