1.1.1. Образование носителей заряда в собственных полупроводниках

Рассмотрим особенности образования носителей заряда в полупроводниках на примере германия и кремния, получивших наиболее широкое распространение при изготовлении полупроводниковых приборов.

Германий и кремний принадлежат к 4 группе таблицы Менделеева. На внешней оболочке их атома находится 4 валентных электрона. Ширина запрещенной зоны германия- 0,72 эВ, кремния-1,12 эВ. Кристаллическая решетка этих элементов имеет одинаковую тетраэдрическую структуру. Рассмотрим плоскую модель кристаллической решетки на примере германия (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6

В отсутствии структурных дефектов и при , четыре валентных электрона каждого атома участвуют в парноэлектронных (ковалентных) связях с соседними атомами. Эти связи характеризуются перекрытием внешней электронной оболочки каждого атома с внешними электронными оболочками рядом расположенных атомов кристалла. При таком перекрытии каждые два электрона принадлежат двум соседним атомам и все четыре электрона атома участвуют в сохранении ковалентной связи с четырьмя соседними атомами. Ковалентные связи показаны на рисунок 6 двумя параллельными линиями, связывающие соседние атомы кристаллической решетки. Участие всех электронов атомов кристалла в сохранении ковалентной связи между атомами свидетельствует о нахождении электронов на уровнях валентной зоны.

Повышение температуры кристалла вызывает увеличение энергии фотонов и, когда энергия фотона достаточна для освобождения электрона от связей с атомом кристаллической решетки, он становится свободным. Освобождение электрона от связей с атомами соответствует на энергетической диаграмме его переходу с уровня валентной зоны на уровень зоны проводимости .

Образование свободного электрона сопровождается разрывом ковалентной связи между атомами и появлением в месте разрыва “дырки”. Отсутствие электрона в ковалентной связи равносильно появлению в данном месте положительного заряда, который приписывают дырке. На энергетической диаграмме, образование дырки после перехода электрона в зону проводимости, отождествляется с появлением вакантного уровня энергии в валентной зоне, что позволяет электронам валентной зоны изменять энергию под воздействием электрического поля и перемещаться в кристалле от атома к атому, т. е. участвовать в создании тока. Действительно валентный электрон, получив необходимую энергию, заполняет (компенсирует) дырку в той ковалентной связи, откуда ушел электрон. Исчезновение дырки в одном месте кристалла и появление её в другом учитывают условно, как движение дырки.

При температуре выше абсолютного нуля переход из валентной зоны в зону проводимости возможен у многих электронов. В результате этого процесса, получившее название термогенерации носителей заряда, в полупроводнике создаётся некоторая концентрация электронов в свободной зоне и равная ей концентрация дырок в валентной зоне. Эта концентрация называется собственной концентрацией носителей заряда. Она зависит от температуры кристалла и ширины запрещенной зоны.

Электроны и дырки являются подвижными частицами. Постоянство их концентрации при определённой температуре вызвано тем, что в любом элементе объема полупроводника действуют одновременно два процесса: термогенерации носителей заряда и исчезновение электронов и дырок за счёт возвращения электронов из зоны проводимости на валентные уровни валентной зоны - рекомбинации носителей заряда.