Переход от примесной проводимости к собственной. Компенсированные полупроводники

Глубокие уровни в полупроводниках

Донорные и акцепторные уровни называют мелкими, имея в виду их малое расстояние от соответствующих разрешённых зон. Однако ряд примесей при введении их в полупроводниковый материал образуют локализованные уровни с энергией, расположенной вблизи середины запрещённой зоны. Такие локализованные уровни принято называть глубокими. В кремнии глубокие уровни характерны для Au, Cu, Fe и некоторых других элементов /1, с 79/. Такие примеси обычно не являются ни эффективными донорами, ни акцепторами. Однако и они могут играть важную роль в работе полупроводниковых приборов, которую мы обсудим позже.

Как уже отмечалось, типичные донорные и акцепторные уровни - мелкие. Их энергия активации намного меньше ширины запрещённой зоны. Поэтому с ростом температуры концентрация свободных носителей, образованных ионизацией электрически активных примесных атомов, возрастает значительно быстрее концентрации электронно-дырочных пар, возникающих из-за межзонных переходов электронов. Однако такое превосходство сохраняется до тех пор, пока не будут ионизованы почти все примесные атомы. Соответствующую температуру называют температурой полной ионизации примеси или температурой истощения примеси и обозначают через Т_S. При дальнейшем росте температуры, концентрация свободных носителей «примесного происхождения» остаётся постоянной, а концентрация электронно-дырочных пар, образованных переходами зона-зона, продолжает резко возрастать. Расчеты и эксперимент показывают, что для основных полупроводниковых материалов, легированных до уровня N_прим ≈ 10¹⁵ 10¹⁶ см^-3, существует достаточно широкий температурный интервал, называемый областью примесной проводимости, или областью насыщения проводимости, где концентрация основных носителей практически стабилизируется. Несмотря на быстрый рост с температурой концентрации электронно-дырочных пар, образованных переходами зона-зона, они продолжают составлять лишь малую часть полной концентрации свободных носителей. И только значительное повышение температуры приводит к постепенному выравниванию концентрации электронов и дырок. Примесный полупроводник постепенно превращается в собственный. Температуру перехода к собственной проводимости называют иногда критической температурой и обозначают через Т_i. Однако в некоторых случаях эффект перехода к собственной проводимости может наступить и при температурах, значительно меньших чем T_i.