Рубрика:
2
Рис. I. Энергетические зоны проводников:
а – собственного; б – акцепторного; в – донорного.
Наименьшее приращение энергии электрона при его переходе из
связанного состояния в состояние проводимости (работа разрыва связи) есть
ширина запрещенной зоны
Δ
Е.
При абсолютном нуле полупроводник не имеет свободных электронов в
зоне проводимости и является изолятором. Однако с повышением температуры
электроны получают тепловую энергию, которая для части электронов
оказывается достаточной для преодоления запрещенной зоны и перехода их в
зону проводимости. В результате полупроводник теряет свойства идеального
изолятора, так как электрическое поле имеет возможность изменять состояние
электронов, находящихся в зоне проводимости. Кроме того, вследствие
образования вакантных уровней в валентной зоне, электроны этой зоны также
могут изменять свою скорость под действием внешнего поля. Поведение
электронов валентной зоны может быть представлено как движение
положительно заряженных квазичастиц, получивших название "дырок".
Таким образом, полупроводники обладают двумя видами
электропроводности: электронной, обусловленной движением свободных
электронов в зоне проводимости, и дырочной, обусловленной движением дырок
в валентной зоне.
Проводимость чистых полупроводников создается как электронами, так
и дырками и называется собственной проводимостью. Уровень Ферми в
собственных полупроводниках находится посередине запрещенной зоны.
Типичными представителями полупроводников являются химически чистые
элементы IV группы таблицы Менделеева. В кристаллической решетке этих
элементов (например, германия) каждый атом образует четыре парно-
электронные (ковалентные) связи с соседними атомами.
Введение в полупроводники незначительного количества примесей
( ≈ 10
-4
%) приводит к значительному увеличению электропроводности
полупроводника. Проводимость, обусловленная наличием примесей в
полупроводнике, называется примесной.
Рассмотрим механизм примесной проводимости полупроводников.
При замещении атома германия атомом, имеющим три валентных
электрона (I
n
, B), одна валентная связь германия оказывается не заполненной
электроном. Электрон одной из соседних заполненных связей может перейти в
незаполненную связь. Причем этот переход требует гораздо меньшей энергии
(ΔE
a
)
по сравнению с энергией ΔЕ отрыва электрона от атома в идеальной
решетке германия. По зонной теории введение трехвалентной примеси в
решетку германия приводит к возникновению свободных уровней Е
а
вблизи
потолка валентной зоны (рис I б).
Уровни, способные захватывать валентные электроны, называются
акцепторными. Часть валентных электронов покидает валентную зону и
занимает эти уровни, оставляя после себя в валентной зоне дырки, которые
являются основными носителями тока в подобного рода полупроводниках.
Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа.
Уровень Ферми в акцепторных полупроводниках располагается вблизи
примесных уровней.
Если в кристалл германия ввести пятивалентный атом примеси
(например, мышьяк), то пятый электрон мышьяка окажется слабо связанным с
