Электрохимия полупроводников. Батенков В.А. - 9 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

АлтГУ | Барнаул

Составители: 

Рубрика: 

9
нескольких электронвольт. Поэтому подобные переходы электронов в полупроводниках за
счёт тепловых колебаний решётки значительно менее вероятны, чем в металлах. Их число
быстро возрастает с температурой, обеспечивая так называемую собственную проводимость
полупроводника. Однако, это справедливо лишь для сверхчистых полупроводников с содер-
жанием примесей менее 10
–6
–10
–8
% и с идеальной структурой кристаллической решётки.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
:
Ge
:
Ge
:
Ge
:
:
Ge
:
Ge
:
Ge
:
:
Ge
:
Ge
:
Ge
:
•
•
•
+
а
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
:
Ge
:
Ge
:
Ge
:
:
Ge
:
б
As
+
:
Ge
:
:
Ge
:
In
–
в
•
+
Ge
:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
:
Ge
:
Ge
:
Ge
:
:
Ge
:
Ge
:
Ge
:
:
Ge
:
Ge
:
Ge
:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
а б
в
Рис. 2. Схемы кристаллической решётки собственного (а), донорного (б)
и акцепторного (в) германия
• – электроны; + – дырки; == – ковалентная двухэлектронная связь; –– – одноэлектронная связь
Примесная проводимость. Обычно собственные полупроводники для создания опреде-
лённого типа проводимости и её увеличения легируют, т. е. вводят в них специальные лег-
рующие добавки. Это могут быть
донорные примеси D, например, атомы мышьяка в герма-
нии. Они имеют не четыре, как у германия, а пять валентных электронов. Лишние для образо-
вания тетраэдра пятые валентные электроны примеси остаются в междоузлиях решётки, зна-
чительно увеличивая электропроводность полупроводника (рис. 2, б). Противоположный слу-
чай – наличие
акцепторной примеси А, например, атомов индия в германии (рис. 2, в). Для
построения четырёх ковалентных связей у атома индия, имеющего только три валентных элек-
трона, недостаёт одного электрона. Поэтому одна связь остаётся одноэлектронной. Такую де-
фектную связь, имеющую избыточный положительный заряд, называют, вследствие неудач-
ного перевода,
дыркой. Правильней её, как в данной работе, следует назвать пазоном.
4. Энергетические зоны полупроводника
В физике для характеристики энергетических уровней электронов атомов твёрдого тела
используется зонная теория. Как известно, электроны атомов, в том числе внешние, валентные
электроны, имеют вполне определённые энергетические уровни, обусловленные конкретным
набором четырёх квантовых чисел: n, l, m, s. При возбуждении электрона его переход на дру-
гой энергетический уровень, разрешённый набором квантовых чисел, возможен, согласно
принципу Паули, если этот уровень свободен, т. е. не занят другим электроном. В твёрдом теле
энергетические уровни однотипных электронов (s-, p-, d-электроны) образуют энергетические
зоны. В невозбуждённом состоянии (температура абсолютного нуля, идеальная кристалличе-
ская решётка) все валентные электроны участвуют в формировании валентных связей, образуя
валентную зону с её верхним энергетическим уровнем (потолком) E
V
(см. рис.3). Свободные
энергетические уровни, на которые могут переходить возбуждённые электроны, образуют
зо-
ну проводимости с нижним энергетическим уровнем (дном) E
С
(см. рис. 3).
Энергию уровней принято выражать в электронвольтах.
Электронвольт – это энергия,
которую приобретает частица с элементарным зарядом электрона е, проходя разность потен-
циалов 1 В: 1 эВ = еU = 1,602
⋅10
–19
(А⋅с)⋅1(В) = 1,602⋅10
–19
Дж.
В металлах дополнительные разрешённые энергетические уровни для возбуждённых элек-
тронов атомов близки к их уровнями в невозбуждённом состоянии. Часто в металлах валентная
энергетическая зона и зона проводимости для возбуждённых, свободных электронов перекрыва-
ются. Поэтому даже при очень низких температурах в них много легко перемещаемых электронов.
нескольких электронвольт. Поэтому подобные переходы электронов в полупроводниках за
счёт тепловых колебаний решётки значительно менее вероятны, чем в металлах. Их число
быстро возрастает с температурой, обеспечивая так называемую собственную проводимость
полупроводника. Однако, это справедливо лишь для сверхчистых полупроводников с содер-
жанием примесей менее 10–6 –10–8 % и с идеальной структурой кристаллической решётки.
          • •       • •         • •       • •       • •       • •         • •       • •         • •


      :   Ge    :   Ge    :    Ge     : : Ge :      Ge    :   Ge    : :   Ge    :   Ge     :    Ge    :
          • •       • +   а   • • •       • •   •   • •       • •         • •       • •         • •


      :   Ge
          • •
             :      Ge
                    • •
                       : Ge : : Ge :
                                • •       • •
                                                    б +
                                                    As
                                                    • •
                                                          :   Ge
                                                              • •
                                                                 : : Ge : • •
                                                                                    In–
                                                                                    • •
                                                                                           •
                                                                                          в +   :
                                                                                                Ge
                                                                                                • •


      :   Ge :
          • •
                    Ge : Ge : : Ge :
                    • •         • •       • •
                                                    Ge
                                                    • •
                                                          :   Ge : : Ge :
                                                              • •         • •
                                                                                    Ge
                                                                                    • •
                                                                                           : Ge :
                                                                                                • •


                    а                                б                              в
        Рис. 2. Схемы кристаллической решётки собственного (а), донорного (б)
                               и акцепторного (в) германия
• – электроны; + – дырки; == – ковалентная двухэлектронная связь; –– – одноэлектронная связь

     Примесная проводимость. Обычно собственные полупроводники для создания опреде-
лённого типа проводимости и её увеличения легируют, т. е. вводят в них специальные лег-
рующие добавки. Это могут быть донорные примеси D, например, атомы мышьяка в герма-
нии. Они имеют не четыре, как у германия, а пять валентных электронов. Лишние для образо-
вания тетраэдра пятые валентные электроны примеси остаются в междоузлиях решётки, зна-
чительно увеличивая электропроводность полупроводника (рис. 2, б). Противоположный слу-
чай – наличие акцепторной примеси А, например, атомов индия в германии (рис. 2, в). Для
построения четырёх ковалентных связей у атома индия, имеющего только три валентных элек-
трона, недостаёт одного электрона. Поэтому одна связь остаётся одноэлектронной. Такую де-
фектную связь, имеющую избыточный положительный заряд, называют, вследствие неудач-
ного перевода, дыркой. Правильней её, как в данной работе, следует назвать пазоном.

                4. Энергетические зоны полупроводника
      В физике для характеристики энергетических уровней электронов атомов твёрдого тела
используется зонная теория. Как известно, электроны атомов, в том числе внешние, валентные
электроны, имеют вполне определённые энергетические уровни, обусловленные конкретным
набором четырёх квантовых чисел: n, l, m, s. При возбуждении электрона его переход на дру-
гой энергетический уровень, разрешённый набором квантовых чисел, возможен, согласно
принципу Паули, если этот уровень свободен, т. е. не занят другим электроном. В твёрдом теле
энергетические уровни однотипных электронов (s-, p-, d-электроны) образуют энергетические
зоны. В невозбуждённом состоянии (температура абсолютного нуля, идеальная кристалличе-
ская решётка) все валентные электроны участвуют в формировании валентных связей, образуя
валентную зону с её верхним энергетическим уровнем (потолком) EV (см. рис.3). Свободные
энергетические уровни, на которые могут переходить возбуждённые электроны, образуют зо-
ну проводимости с нижним энергетическим уровнем (дном) EС (см. рис. 3).
      Энергию уровней принято выражать в электронвольтах. Электронвольт – это энергия,
которую приобретает частица с элементарным зарядом электрона е, проходя разность потен-
циалов 1 В: 1 эВ = еU = 1,602⋅10–19(А⋅с)⋅1(В) = 1,602⋅10–19 Дж.
      В металлах дополнительные разрешённые энергетические уровни для возбуждённых элек-
тронов атомов близки к их уровнями в невозбуждённом состоянии. Часто в металлах валентная
энергетическая зона и зона проводимости для возбуждённых, свободных электронов перекрыва-
ются. Поэтому даже при очень низких температурах в них много легко перемещаемых электронов.

                                                     9

Страницы