2015-10-22
1880
DЕ = 0 DЕ ~ 0,1–4 эВ DЕ > 4 эВ
Рис. 22. Расположение энергетических зон в кристаллах
В проводнике электроны валентной зоны при их незначительном возбуждении могут легко перейти на свободные энергетические уровни зоны проводимости, что обеспечивает высокую электропроводность металлов.
У изоляторов зона проводимости отделена от валентной зоны большим энергетическим барьером (DЕ > 4 эВ). Валентные электроны не могут попасть в зону проводимости даже при передаче им значительного количества энергии, так как электроны не могут свободно перемещаться по всему объему кристалла, проводимость в кристалле отсутствует.
Ширина запрещенной зоны полупроводников невелика (DЕ ~ 0,1–4 эВ). При низкой температуре они проявляют свойства изоляторов. С повышением температуры энергия валентных электронов возрастает и становится достаточной для преодоления запрещенной зоны. Происходит перенос электрических зарядов, полупроводник становится проводником.
● Собственная электропроводность (проводимость)
Полупроводников
Собственной электропроводностью (проводимостью) полупроводников называется электропроводность, в которой участвует одинаковое количество электронов и дырок. При этом оба типа носителей образуется вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Данный процесс описывается следующим образом.
При температуре, близкой к температуре абсолютного нуля, все уровни в валентной зоне полупроводника заполнены полностью, а в зоне проводимости пусты. В этих условиях кристалл обладает свойствами диэлектрика.
С повышением температуры (получения кванта энергии) электроны приобретают дополнительную энергию, и часть электронов покидает валентную зону, переходит в зону проводимости. Процесс образования свободных электронов называется генерацией электронов.
В валентной зоне на его месте остается вакансия – так называемая положительно заряженная дырка. При наложении электрического поля электроны, перешедшие в зону проводимости, и дырки в валентной зоне приобретают дополнительные скорости и участвуют в образовании электрического тока в кристалле.
Электропроводность в полупроводнике осуществляется как электронами, прошедшими в зону проводимости, так и дырками в валентной зоне,
т. е. имеет место электронная (n-типа) и дырочная (p-типа) проводимость.
Для каждого полупроводника собственная проводимость наступает при различных температурах, которые тем выше, чем больше величина запрещенной зоны (рис. 23). Ширина запрещенной зоны зависит от прочности связи и структурных особенностей кристаллической решетки. К полупроводникам с узкой запрещенной зоной относятся серое олово, черный фосфор, теллур. Перенос электронов в зону проводимости у них наблюдается уже за счет лучистой энергии. К полупроводникам с широкой запрещенной зоной относятся висмут и кремний. Для осуществления в них проводимости требуется мощный тепловой импульс, а для алмаза – g-излучение.
Известно 13 кристаллических модификаций простых веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами. Они находятся в главных подгруппах III–VII групп ПСЭ. К типичным собственным полупроводникам относятся B, S, Si, Ge, Sn(серое), Р, As, Sb, S, Se и т. д. В кристаллах простых веществ этих элементов ковалентный или близкий к нему характер химической связи
Собственной электронной электропроводностью могут обладать кристаллы, которые не содержат чужеродных атомов и нарушений кристаллической решетки, в противном случае, имела бы место генерация свободных носителей в зону проводимости, без обязательного образования пары электрон–дырка, т. е. речь, идет об идеальных кристаллах.
В реальных условиях встречаются кристаллы с примесями и дефектами кристаллической решетки. Более того, такие кристаллы и представляют практический интерес.
● Электропроводность примесных полупроводников
Наличие в полупроводниковом кристалле примесных атомов приводит к нарушению стехиометрического состава, нарушению кристаллической решетки и появлению дополнительных квантовых уровней в зонной структуре кристалла. Эти уровни, образованные донорной примесью, называются донорными, акцепторной примесью – акцепторными.
Они располагаются обычно в запрещенной зоне на расстояниях в несколько десятых или сотых электрон-вольта от нижнего края зоны проводимости для донорной примеси (рис. 24, в) и соответственно от верхнего края валентной зоны для акцепторной примеси (рис. 25, в).
Рис. 24. Схема проводимости в донорном полупроводнике: а – ковалентные связи в чистом полупроводнике кремния; б – примесный атом фосфора;
в – зонная структура донорного полупроводника
Рис. 25. Схема проводимости в акцепторном полупроводнике: а – ковалентные связи в чистом полупроводнике кремния (примесный атом бора); б – зонная структура акцепторного полупроводника
Например: усиление проводимости n-типа происходит введением примесных доноров. Примеси в кристаллах, атомы которых способны отдавать электроны, усиливая электронную проводимость, называются донорами.
В кристалле Si с 4 электронами на внешнем уровне один из атомов замещен атомом Р, на внешнем энергетическом уровне которого находится пять валентных электронов, четыре из которых образуют ковалентные связи с соседними атомами Si, а один электрон находится на свободной орбитали у атома фосфора (рис. 24). При передаче кристаллу Si небольшой энергии (4,4 кДж/моль) этот электрон легко отщепляется от примесного атома Р и проникает из валентной зоны чрез запрещенную зону в зону проводимости, т. е. служит переносчиком электрического тока. В целом же кристалл Si остается электронейтральным.
По отношению к Si примесными донорнами будут р-элементы пятой группы.
Усиление примесной проводимости р-типа происходит (рис. 25) введением примесных акцепторов. Примеси в кристаллах полупроводников, атомы которых способны усиливать в них дырочную проводимость, называются акцепторами.
В кристалле Si с 4 электронами на внешнем уровнеодин из атомов замещен на атом B, на внешнем энергетическом уровне которого находится только три электрона. При образовании четырех ковалентных связей с атомами Si образуется дефицит одного электрона в каждом узле кристаллической решетки, содержащей атом B. При передаче такому кристаллу небольшой энергии, атом B захватывает электрон с соседней ковалентной связи, превращаясь в отрицательно заряженный ион.
На месте захваченного электрона образуется дырка. Если поместить кристалл в электрическое поле, то дырка становится носителем заряда, а электрическая нейтральность атома сохраняется.
По отношению к Si примесными акцепторами будут р-элементы третьей группы, а также Zn, Fe, Mn.
Таким образом, варьируя природой и концентрациями примесей в полупроводниках, можно получить заданную электрическую проводимость и тип проводимости
Дефекты в реальных кристаллах могут возникать не только в результате примесей атомов других элементов, но и теплового движения частиц, формирующих кристалл. При этом атомы, молекулы или ионы покидают свои места в узлах кристаллической решетки и переходят или в междоузлия или на поверхность кристалла, оставляя в решетке незаполненный узел – вакансию.
Точечные дефекты в ионных кристаллах существенно влияют на их проводимость. Под действием электрического поля ближайший к вакансии ион переходит на ее место, а в точке прежнего местоположения создается новая вакансия, занимаемая в свою очередь соседними ионами. Подобные «перескоки» ионов реализуются с большой частотой, обеспечивая ионную проводимость кристалла
