Собственные полупроводники
Химически чистые полупроводники называются собственными полупроводниками. На рис. 5.6,а показана упрощенная схема зонной структуры собственного полупроводника.
Рис.5.6. Зонная структура собственного полупроводника: Еc — энергия дна зоны проводимости, Ev — энергия потолка валентной зоны.
При абсолютном нуле валентная зона полупроводника заполнена полностью (рис.5.6, а), зона проводимости, расположенная над валентной зоной, является пустой.
При температуре, отличной от абсолютного нуля (рис.5.6, б), часть электронов валентной зоны переходит в зону проводимости. Это приводит к появлению в зоне проводимости носителей заряда электронов; в валентной зоне появляются свободные уровни. Под действием поля электроны валентной зоны имеют возможность переходить на свободные уровни и создавать в кристалле электрический ток. При приложении к кристаллу внешнего поля в нем возникает направленное движение электронов как в зоне проводимости, так и в валентной зоне. Кристалл становится проводящим. Носители заряда в валентной зоне называются дырками.
Чем меньше ширина запрещенной зоны и выше температура, тем больше электронов переходит в зону проводимости и тем выше электропроводность кристалла.
Проводимость полупроводников является следствием внешнего фактора внешнего фактора, сообщающего электронам валентной зоны энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости.
Мгновенный ток, создаваемый одним электроном, движущимся со скоростью v, равен
I = —qv.(рис. 5.7).
Результирующий ток, создаваемый всеми электронами валентной зоны, I = —qv, где суммирование проводится по всем состояниям, занятым электронами.
Рис 5 7 Иллюстрация понятия дырки в валентной зоне
Фиктивным частицам с положительным зарядом +q (называемые дырками), приписывается положительная эффективная масса, численно равная отрицательной эффективной массе электрона.
Примесные уровни в полупроводниках
Полупроводники всегда содержат примесные атомы, создающие свои энергетические уровни, называемые примесными; они могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах на различном расстоянии от потолка валентной зоны или дна зоны проводимости.
Донорные уровни. Германий имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными силами. Если в кристалле германия часть атомов замещена атомами пятивалентного мышьяка, то для установления связей атом мышьяка расходует 4 валентных электрона (рис. 5.8, а). Пятый электрон в образовании связи не участвует. Такой электрон отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться по кристаллу, (рис. 5.8, б).
Рис. 5.8. Возбуждение носителей заряда полупроводниках
а) Т =0 К; б) при Т >0 К ионизация атома пятивалентного элемента приводит к образованию электрона проводимости, в) — энергетические уровни пятых электронов мышьяка, представляющие собой донорные уровни. Эти уровни размещаются непосредственно у дна зоны проводимости на малом расстоянии Ед 0,01 эВ. При сообщении электронам примесных уровней энергии Ед они переходят в зону проводимости. Неподвижные положительно заряженные ионы в электропроводности не участвуют.
Акцепторные уровни. Если в решетке часть атомов замещена атомами трехвалентного элемента (рис. 5.9, а). , то для образования связи с четырьмя ближайшими соседями не хватает одного электрона. Разорванная связь представляет собой дырку (рис. 5.9, б), так как она соответствует образованию в валентной зоне германия вакантного состояния.
На рис. 5.9, в показана зонная структура германия, легированного трёхвалентным элементом. У потолка валентной зоны располагаются незаполненные уровни атомов индия. При относительно невысоких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни. Свободными носителями заряда являются «дырки», возникшие в валентной зоне.
Рис. 5 9. Возбуждение носителей заряда в примесных р-полупроводниках: a —Т=0 К; б) — при Т >0 К электроны переходят на неукомплектованные связи примесных атомов, образуя ион индия и незаполненный уровень (дырку) в валентной зоне; в —акцепторные уровни при Т >0 К, дырки в валентной зоне
Глубокие примесные уровни. Некоторые примеси создают в полупроводниках примесные уровни, расположенные далеко от границ энергетических зон. Такие уровни называются глубокими. В кремнии и германии подобные уровни создают атомы золота, меди, марганца, железа и др.