Puolijohteiden epäpuhtausjohtavuus - sähkönjohtavuus , joka johtuu luovuttaja- tai akseptoriepäpuhtauksien läsnäolosta puolijohteessa .
Epäpuhtauksien johtavuus on pääsääntöisesti paljon korkeampi kuin sen oma , ja siksi puolijohteiden sähköiset ominaisuudet määräytyvät siihen lisättyjen lisäaineiden tyypin ja määrän mukaan .
Puolijohteiden sisäinen johtavuus on yleensä alhainen, koska vapaiden elektronien lukumäärä esimerkiksi germaniumissa huoneenlämpötilassa on luokkaa 3·10 13 /cm 3 . Samaan aikaan germaniumatomien lukumäärä 1 cm 3 :ssä on ~ 10 23 . Puolijohteiden johtavuus kasvaa epäpuhtauksien lisäämisen myötä, kun sisäisen johtavuuden ohella syntyy ylimääräistä epäpuhtauksien johtavuutta.
Epäpuhtauskeskukset voivat olla:
Epäpuhtauksien pitoisuutta muuttamalla voidaan merkittävästi lisätä yhden tai toisen merkin varauksenkuljettajien määrää ja luoda puolijohteita, joissa vallitseva pitoisuus on joko negatiivisesti tai positiivisesti varautuneita kantajia.
Epäpuhtaudet voidaan jakaa luovuttaviin (luovuttaviin) ja vastaanottajiin (vastaanotto).
Tarkastellaan sellaisen puolijohteen sähkönjohtavuuden mekanismia, jossa on luovuttava viidenarvoisen arseenin epäpuhtaus As 5+ , joka viedään kiteen, esimerkiksi piin, sisään. Viisiarvoinen arseeniatomi luovuttaa neljä valenssielektronia muodostaakseen kovalenttisia sidoksia, ja viides elektroni on vapaa näissä sidoksissa.
Arseenin viidennen valenssielektronin irtautumisenergia (ionisaatioenergia) piissä on 0,05 eV = 0,08·10 −19 J, mikä on 20 kertaa pienempi kuin elektronin irtautumisenergia piiatomista. Siksi melkein kaikki arseeniatomit menettävät jo huoneenlämmössä yhden elektroninsa ja muuttuvat positiivisiksi ioneiksi. Positiiviset arseeni-ionit eivät voi vangita viereisten atomien elektroneja, koska niiden kaikki neljä sidosta on jo varustettu elektroneilla. Tässä tapauksessa elektronivakanssin - "reiän" siirtymää ei tapahdu ja reiän johtavuus on hyvin pieni, eli käytännössä puuttuu. Pieni osa puolijohteen omista atomeista on ionisoitunut ja osa virrasta muodostuu reikistä, eli luovuttajaepäpuhtaudet ovat epäpuhtauksia, jotka syöttävät johtavuuselektroneja ilman, että yhtä monta liikkuvaa reikää ilmaantuu. Päädymme puolijohteeseen, jolla on pääasiassa elektroninen johtavuus, jota kutsutaan n-tyypin puolijohteeksi .
Kun kyseessä on akseptoriepäpuhtaus, esimerkiksi kolmiarvoinen indium In 3+ , epäpuhtausatomi voi antaa kolme elektroniaan kovalenttiselle sidokselle vain kolmen viereisen piiatomin kanssa, ja yksi elektroni "puuttuu". Yksi viereisten piiatomien elektroneista voi täyttää tämän sidoksen, jolloin In-atomista tulee liikkumaton negatiivinen ioni ja aukko muodostuu sen elektronin tilalle, joka poistui yhdestä piiatomista. Akseptoriepäpuhtaudet, jotka vangitsevat elektroneja ja luovat siten liikkuvia reikiä, eivät lisää johtavuuselektronien määrää. Puolijohteessa, jossa on akseptoriepäpuhtaus, suurimmat varauksenkantajat ovat reikiä ja vähemmistökantajat ovat elektroneja.
Puolijohteita, joissa reikien pitoisuus ylittää johtavuuselektronien pitoisuuden, kutsutaan p-tyyppisiksi puolijohteiksi .
On huomattava, että epäpuhtauksien joutuminen puolijohteisiin, kuten kaikkiin metalleihin, häiritsee kidehilan rakennetta ja estää elektronien liikkumista. Resistanssi ei kuitenkaan kasva, koska varauksenkuljettajien pitoisuuden lisääminen vähentää merkittävästi vastusta. Siten booriepäpuhtauden lisääminen määränä 1 atomi sataatuhatta piiatomia kohti pienentää piin sähköistä ominaisvastusta noin tuhat kertaa ja yhden indiumatomin sekoitus 10 8 - 10 9 germaniumatomia kohden vähentää sähköistä ominaisvastusta. germaniumista miljoonia kertoja.
Puolijohdelaitteissa käytetään kykyä hallita resistiivisyyttä tuomalla epäpuhtauksia.
Reiän johtavuus ei ole puolijohteiden yksinomainen ominaisuus. Joillakin metalleilla ja niiden lejeeringeillä on sekaelektronireikäjohtavuus, joka johtuu ei-kollektiivisten valenssielektronien joidenkin osien siirtymisestä. Esimerkiksi sinkissä, berylliumissa, kadmiumissa, kupari-tinaseoksissa sähkövirran reikäkomponentti on hallitsevampi kuin elektroninen.
Jos sekä luovuttaja- että akseptoriepäpuhtaudet tuodaan samanaikaisesti puolijohteeseen, johtavuuden luonne (n- tai p-tyyppi) määräytyy epäpuhtaudesta, jossa on korkeampi virrankantajien pitoisuus - elektroneja tai reikiä.
Aksenovich L. A. Fysiikka lukiossa: teoria. Tehtävät. Testit: Proc. yleistä tarjoaville laitoksille. ympäristöt, koulutus / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Minsk: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 302-303.