Физические основы микроэлектроники. Попов В.Ф. - 15 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

а) б)
Рис. 8 Зонная структура собственного полупроводника:
а – Т = 0 К; б – Т > 0 К
в зону проводимости (рис. 8, б), а в валентной зоне появляются дырки. Если к такому кристаллу приложить внешнее
электрическое поле, то в нем возникнет направленное движение электронов зоны проводимости, т.е. он становится
проводящим.
Чем ýже запрещенная зона и выше температура кристалла, тем больше электронов переходит в зону проводимости. Так,
у германия, имеющего Е
g
= 0,66 эВ, уже при комнатной температуре удельное сопротивление составляет всего
лишь ρ
i
≈ 0,48 Ом ⋅ м. В то же время у алмаза, являющегося прекрасным диэлектриком и имеющего Е
g
= 5,2 эВ h
i
при комнатной температуре оказывается равной только ≈ 10
4
м
-3
и ρ ≈ 10
8
Ом ⋅ м. Но уже при Т = 600 К
концентрация электронного газа в алмазе увеличивается на много порядков и удельное сопротивление становится того же
порядка, что и у германия при комнатной температуре.
Из сказанного вытекает весьма важный вывод: разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной
мере условный характер. По мере того, как в качестве полупроводников начинают использовать материалы со все более
широкой запрещенной зоной, деление тел на полупроводники и диэлектрики постепенно утрачивает свой смысл.
Рассмотрим теперь более подробно поведение электронов в валентной зоне, в которой возникли свободные уровни
вследствие перехода части электронов в зону проводимости (рис. 8, б).
Под действием внешнего поля электроны валентной зоны теперь имеют возможность переходить на свободные уровни
и создавать в кристалле электрический ток. Определим мгновенную силу этого тока.
Сила тока, создаваемая одним электроном, движущимся со скоростью V
i
, равна
I
i
= eV
i
.
Результирующая сила мгновенного тока, создаваемого всеми электронами валентной зоны, равна
I
р
= eV
i
,
где суммирование проводится по всем состояниям, занятым электронами.
Для зоны, укомплектованной электронами полностью, I
p
= 0, так как любому электрону, имеющему скорость + V
i
,
можно сопоставить электрон со скоростью –
V
i
.
Теперь представим, что в валентной зоне заняты все состояния, кроме одного, характеризующегося скоростью V
s
.
Суммарная сила тока в такой зоне равна
s
i
i
si
i
eVVeVeI +−=−=
∑
∑
≠
.
Так как первое слагаемое правой части равно нулю, то
I = eV
s
.
Таким образом, суммарная сила тока всех электронов валентной зоны, имеющей одно вакантное состояние,
эквивалентна силе тока, обусловленного движением в ней фиктивной частицы с положительным зарядом +e, помещенную в
это состояние – дырки.
6.3 Примесные уровни в полупроводниках
Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат примесные атомы, создающие свои собственные
энергетические уровни, получившие название примесных уровней. Эти уровни могут располагаться как в разрешенной, так и
в запрещенной зонах полупроводника на различных расстояниях от потолка валентной зоны и для зоны проводимости. В
ряде случаев примеси вводят сознательно для придания полупроводнику необходимых свойств.
Рассмотрим основные типы примесных уровней.
6.3.1 ДОНОРНЫЕ УРОВНИ
Предположим, что в кристалле германия часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка. Германий
имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним
валентными силами (рис. 9, а).
Для установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует четыре валентных электрона. Пятый электрон в
образовании связи не участвует. Он продолжает двигаться вокруг иона мышьяка, электронное поле которого ослаблено в
германии в ε = 16 раз (ε – диэлектрическая проницаемость германия). Вследствие ослабления поля радиус орбиты электрона
увеличивается в 16 раз, а энергия связи его с атомом мышьяка уменьшается примерно в ε
2
≈ 256 раз, становясь равной Е
Д
≈
0,01 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома, превращаясь в электрон проводимости (рис. 9, б).
На языке зонной теории этот процесс можно представить следующим образом: между заполненной валентной зоной и
свободной зоной проводимости располагаются энергетические уровни пятого электрона атомов мышьяка (рис. 9, в). Эти
уровни размещаются непосредственно у зоны проводимости, отстоя от нее на расстоянии Е
g
≈ 0,01 эВ. При сообщении
электронам таких примесных уровней энергии Е
g
они переходят в зону проводимости. Образующиеся при этом
положительные заряды ("дырки") локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.

Страницы