Вопрос 2

В следствие малой ширины запрещенной зоны полупроводника тепловые колебания атомов способны сообщить валентным электронам энергию, достаточную для перехода из заполненной валентной зоны в свободную зону проводимости. Каждый такой переход приводит к возникновению пары носителей заряда: свободного электрона в зоне проводимости и свободного энергетического состояния (дырки) в валентной зоне.

Генерация пар свободных зарядов делает кристалл способным проводить электрический ток. Электропроводность такого кристалла называется собственной.

Вопрос 3

Рисунок 6– замещение в узле решетки атома германия атомом мышьяка

Рисунок 7 – энергетическая диаграмма полупроводникового кристалла с электронной электропроводностью

1 – зона проводимости; 2 –примесная зона; 3- запрещенная зона; 4 – валентная зона

На рисунке 6 изображена кристаллическая решетка с внедренным атомом примеси пятивалентного мышьяка. 4 электрона валентной оболочки атома мышьяка образуют прочные ковалентные связи с 4-мя соседними атомами германия, а пятый валентный электрон мышьяка оказывается «лишним». Размер орбиты, по которой он вращается вокруг ядра атома мышьяка, увеличивается в десятки раз, а связь его с ядром резко уменьшается. Расчеты показывают, что в рассматриваемом примере энергия, необходимая для отрыва лишнего электрона от атома мышьяка, составляет приблизительно 0,05 эВ. Учитывая, что ширина запрещенной зоны германия несколько превышает 1эВ, можно понять, что энергетический уровень электрона мышьяка расположен рядом с зоной проводимости кристалла.

Благодаря близости примесных уровней к зоне проводимости, уже при незначительных температурах большая часть электронов примесной зоны переходит в зону проводимости и почти все примесные атомы оказываются ионизированными. Ионы примесных атомов связаны кристаллической решеткой и не могут перемещаться под действием внешнего электрического поля. Таким образом, в самих атомам примеси при этом дырки не образуются (дырка, как и электрон, перемещается под действием внешнего электрического поля, а потому является подвижным носителем заряда). Таким образом, в рассмотренном случае прохождения тока через кристалл обеспечивается электронами. Электропроводность кристалла называется электронной, а примесь, поставляющая электроны в зону проводимости называется донорной.

Пятивалентная донорная примесь в 4-хвалентном кристалле создает электронную электропроводность

Вопрос 4

Рисунок 8 – замещение в узле атома германия атомом индия

Рисунок 9 - энергетическая диаграмма полупроводникового кристалла с дырочной полупроводностью

1 – зона проводимости; 2 – примесная зона; 3 – запрещенная зона; 4 – валентная зона

Благодаря близости примесных уровней к ковалентной зоне все примесные атомы оказываются ионизированными уже при незначительных температурах. В нашем случае атомы примеси, приняв электроны из валентной зоны, становятся отрицательными ионами. Ион связана с кристаллами решеткой и не движется. Таким образом, в 2/3 кристалла обеспечивается дырками. Электропроводность такого кристалла называется дырочной, а примесь, отбирающая электроны из валентной зоны – акцепторной. 3-хвалентная акцепторная примесь создает в 4-хвалентном кристалле дырочную электропроводность.