Контрольные вопросы
Что такое полупроводник? Как осуществляется электропроводность в собственном и примесном полупроводниках?
полупроводники - это такие материалы, удельное сопротивление которых при комнатной температуре лежит в пределах от 10-6 до 108 Омм, сильно зависит от структуры вещества, вида и количества примеси и от внешних условий: температуры, освещения, электрического и магнитного полей.
Механизм электропроводности чистых одноатомных полупроводников, например кремния и германия, легко понять из следующих модельных представлений: при абсолютном нуле в полупроводниках валентная зона заполнена, а зона проводимости свободна (рисунок 1, а). Поэтому при Т = 0 К собственный полупроводник, как и диэлектрик, обладает нулевой проводимостью.
. Полупроводник, имеющий примеси, называют примесным, а его электропроводность, обусловленную наличием в кристалле примеси - примесной. В решетке кремния четыре валентных электрона мышьяка вместе с четырьмя электронами ближайших атомов кремния участвуют в образовании ковалентной связи. Пятый электрон мышьяка, не принимающий участия в образовании ковалентной связи, слабо связан с атомом мышьяка. При низких температурах пятый электрон локализован около атома мышьяка, но при повышенных температурах он отщепляется от примеси и свободно перемещается по кристаллу. Атом мышьяка, отдавший электрон, превращается в положительный ион.
Нарисуйте и поясните зонные диаграммы полупроводников.
Наряду с ионизацией примеси может происходить и ионизация атомов основного вещества. Но в области низких температур доминирующим процессом будет ионизация атомов примеси. Свободных электронов в зоне проводимости будет больше, чем дырок в валентной зоне. Электроны будут играть доминирующую роль в проводимости полупроводника, поэтому их называют основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда. Такой полупроводник называют электронным, донорным или n-типа.
Наличие примеси в кристалле полупроводника будет характеризоваться появлением локальных уровней, лежащих в запрещенной зоне. Так как для ионизации атома мышьяка требуется меньшая энергия Ed, чем для разрыва ковалентных связей кремния, то энергетический уровень донорной примеси Ed должен располагаться в запрещенной зоне в непосредственной близости к краю зоны проводимости Ed ≈0,01 эВ (рисунок 2,а).
Ec
Ec
Ed
Ed
Ea
Ea
Ev Ev
a) б)
Рисунок 2- Энергетическая диаграмма донорного (а) и акцепторного (б) полупроводников
Допустим теперь, что в решетке кремния часть атомов замещена атомами элемента третьей группы периодической системы Менделеева, например алюминием. Тогда одна связь атома кремния, примыкающего к атому примеси, будет незавершенa. В эту незаполненную связь в результате теплового возбуждения может перейти электрон от соседнего атома кремния. При этом образуется отрицательный ион алюминия и свободная дырка, перемещающаяся по связям кремния и принимающая участие в проводимости полупроводника. Такие примеси, захватывающие электроны, называют акцепторными. Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от атома кремния к атому акцепторной примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва валентной связи кремния. В силу этого количество дырок значительно больше количества свободных электронов и поэтому в таком полупроводнике основными носителями заряда будут дырки, а электроны - неосновными носителями заряда. Полупроводник с акцепторной примесью называют акцепторным, дырочным или р-типа.
На энергетической диаграмме (рисунок 2,б) акцепторная примесь имеет в запрещенной зоне энергетический уровень Ea , расположенный на небольшом расстоянии над потолком валентной зоны Ea≈0,01 эВ. При ионизации акцепторной примеси происходит переход электрона из валентной зоны на уровень Ea , а в валентной зоне появляется вакантная ковалентная связь - дырка, которая и является свободным носителем заряда.
В полупроводнике могут одновременно присутствовать как донорная, так и акцепторная примеси.