Conductividad de impurezas de semiconductores : conductividad eléctrica debida a la presencia de impurezas donantes o aceptoras en el semiconductor .
La conductividad de las impurezas, por regla general, es mucho más alta que la suya propia y, por lo tanto, las propiedades eléctricas de los semiconductores están determinadas por el tipo y la cantidad de dopantes que se introducen en ellos .
La conductividad intrínseca de los semiconductores suele ser baja, ya que el número de electrones libres, por ejemplo, en el germanio a temperatura ambiente, es del orden de 3·10 13 /cm 3 . Al mismo tiempo, el número de átomos de germanio en 1 cm 3 es ~ 10 23 . La conductividad de los semiconductores aumenta con la introducción de impurezas, cuando, junto con la conductividad intrínseca, surge una conductividad adicional de impurezas.
Los centros de impurezas pueden ser:
Al cambiar la concentración de impurezas, se puede aumentar significativamente el número de portadores de carga de un signo u otro y crear semiconductores con una concentración predominante de portadores de carga negativa o positiva.
Las impurezas se pueden dividir en donante (donante) y aceptor (receptor).
Consideremos el mecanismo de conductividad eléctrica de un semiconductor con una impureza donante pentavalente de arsénico As 5+ , que se introduce en un cristal, por ejemplo, de silicio. Un átomo de arsénico pentavalente dona cuatro electrones de valencia para formar enlaces covalentes, y el quinto electrón está desocupado en estos enlaces.
La energía de desprendimiento (energía de ionización) del quinto electrón de valencia del arsénico en el silicio es 0,05 eV = 0,08·10 −19 J, que es 20 veces menor que la energía de desprendimiento de un electrón de un átomo de silicio. Por tanto, ya a temperatura ambiente, casi todos los átomos de arsénico pierden uno de sus electrones y se convierten en iones positivos. Los iones de arsénico positivos no pueden capturar los electrones de los átomos vecinos, ya que sus cuatro enlaces ya están equipados con electrones. En este caso, el desplazamiento de la vacante de electrones - "agujero" no ocurre y la conductividad del agujero es muy pequeña, es decir, prácticamente ausente. Una pequeña parte de los propios átomos del semiconductor está ionizada, y parte de la corriente está formada por huecos, es decir, las impurezas donadoras son impurezas que aportan electrones de conducción sin que aparezca un número igual de huecos móviles. Lo que obtenemos es un semiconductor con conducción predominantemente electrónica, llamado semiconductor de tipo n .
En el caso de una impureza aceptora, por ejemplo, indio trivalente In 3+ , el átomo de impureza puede ceder sus tres electrones para el enlace covalente con solo tres átomos de silicio vecinos, y "falta" un electrón. Uno de los electrones de los átomos de silicio vecinos puede llenar este enlace, entonces el átomo de In se convertirá en un ion negativo inmóvil y se formará un hueco en el lugar del electrón que dejó uno de los átomos de silicio. Las impurezas del aceptor, que capturan electrones y crean así huecos móviles, no aumentan el número de electrones de conducción. Los portadores de carga mayoritarios en un semiconductor con una impureza aceptora son huecos, y los portadores minoritarios son electrones.
Los semiconductores en los que la concentración de huecos excede la concentración de electrones de conducción se denominan semiconductores tipo p .
Cabe señalar que la introducción de impurezas en los semiconductores, como en cualquier metal, altera la estructura de la red cristalina y dificulta el movimiento de los electrones. Sin embargo, la resistencia no aumenta debido al hecho de que el aumento de la concentración de portadores de carga reduce significativamente la resistencia. Por lo tanto, la introducción de una impureza de boro en la cantidad de 1 átomo por cien mil átomos de silicio reduce la resistividad eléctrica del silicio unas mil veces, y la mezcla de un átomo de indio por 10 8 -10 9 átomos de germanio reduce la resistividad eléctrica. de germanio por millones de veces.
La capacidad de controlar la resistividad mediante la introducción de impurezas se utiliza en dispositivos semiconductores.
La conductividad del hueco no es una característica exclusiva de los semiconductores. Algunos metales y sus aleaciones tienen una conductividad mixta de huecos de electrones debido al desplazamiento de una parte de los electrones de valencia no colectivos. Por ejemplo, en aleaciones de zinc, berilio, cadmio, cobre-estaño, la componente de hueco de la corriente eléctrica predomina sobre la electrónica.
Si las impurezas donadoras y aceptoras se introducen simultáneamente en un semiconductor, entonces la naturaleza de la conductividad (tipo n o p) está determinada por una impureza con una mayor concentración de portadores de corriente: electrones o huecos.
Aksenovich L. A. Física en la escuela secundaria: Teoría. Tareas. Pruebas: Proc. Subsidio para instituciones que prestan servicios generales. ambientes, educación / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; ed. K. S. Fariño. - Minsk: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 302-303.