1.3. Локальные уровни в запрещенной зоне

Полупроводники, которые обладают зонной структурой, рассмот­ренной выше, и в которых переход электронов в зону проводимости происходит из валентной зоны называют собственными полупровод­никами. Электропроводность в таких полупроводниках, обусловленную одновременным движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне называют собственной электропроводностью.

Рассмотренная выше зонная структура полупроводника явилась следствием существования в кристалле внутреннего периодического поля, которое до сих пор принималось идеально правильным.

Если будут иметь место какие-либо нарушения идеальности перио­дического поля, то они повлекут за собой и нарушения идеальности зонной структуры. Реальный кристалл всегда содержит значительное количество нарушений (дефектов) кристаллической решетки. Прежде чем рассматривать конкретные виды дефектов найдем те общие черты-, которые отличают реальный кристалл с дефектами от идеального кри­сталла без дефектов. Если количество дефектов в кристалле неве­лико, то они будут находиться на значительных расстояниях друг от друга, т. е. дефекты решетки кристалла в этом случае будут лока­лизованы. Внутреннее поле в кристалле при этом увеличиться на добавочное слагаемое, отличное от нуля только в локализованной области вблизи дефекта. Поэтому при этом изменются энергетические состояния только тех электронов, которые на­ходятся в этой области, а это приводит к образованию локальных энергетических состояний, накладывающихся на идеальную зонную структуру. Число таких локальных состояний либо равно числу дефектов, либо превышает его, если с дефектом связано несколько таких состояний. Расположение локальных состояний ограничено областью вблизи дефекта. Электроны, находящиеся на этих энергети­ческих уровнях, оказываются связанными с дефектом (если только специальными мерами, например, повышением температуры, не отор­вать их от дефекта) и поэтому они не могут участвовать в электро­проводности. А это значит, что уровни дефектов, на которых они расположены, не лежат ни в зоне проводимости, ни в валентной зоне. Они располагаются в запрещенной зоне полупроводника. Если они расположены вблизи дна зоны проводимости (рис. 1.5.а), то при нагревании кристалла дефекты будут легко ионизоваться и электроны с этих уровней переходят в зону проводимости..

Дефекты, способные при ненарушенных валентных связях в кри­сталле отдавать электроны в зону проводимости, называют доно­рами, а полупроводник, содержащий доноры, называют полупроводни­ком с электронной электропроводностью или полупроводником п-типа. Соответственно, электропроводность полупроводника, обусловленная перемещением только одних электронов в зоне проводимости, назы­вают электронной электропроводностью.

Если уровни дефектов расположены непосредственно вблизи по­толка валентной зоны (рис. 1.5. б), то уже при небольшом нагревании электроны из валентной зоны смогут перейти на эти уровни и в ва­лентной зоне возникает дырочная электропроводность. Дефекты, спо­собные воспринимать электроны из валентной зоны, называют акцепторами, а полупроводники, содержащие акцепторы, назы­вают или полупроводниками с ды­рочной электропроводностью или полупроводниками р-типа.

Необходимо помнить, что доноры могут отдавать электроны не только в зону проводимости, а любому из дефектов, имеющих акцеп­торную природу. Соответственно, акцепторы, наряду с захватом электронов из валентной зоны могут в принципе воспринимать элек­троны от любых доноров, имеющихся в кристалле.

Рис. 1.5. Локальные энергетические уров­ни в запрещенной зоне:

а — уровни доноров; б — уровни акцепторов

Наконец, существуют дефекты такого типа, которые проявляют амфотерные свойства, т. е. они могут быть как донорами, так и, акцеп­торами, Характер их состояния в кристалле зависит от присутствия других дефектов.