2018-02-14
756
Полупроводниками являются кристаллические вещества, у которых при Т = 0К валентная зона полностью заполнена электронами и ширина запрещенной зоны невелика. Различают собственные и примесные полупроводники. К числу собственных полупроводников относятся химически чистые полупроводники (Si, Ge, GaAs и т.д.). При Т = 0 К собственный полупроводник ведет себя как диэлектрик, поскольку энергии электрического поля недостаточно для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости.
При Т > 0 K часть электронов в результате теплового возбуждения переходит с верхних уровней валентной зоны на нижние уровни зоны проводимости. Электроны становятся «свободными», попадая в кристаллическую решетку и образуя электронный газ, который во внешнем электрическом поле образует поток. Возникает собственная проводимость. Кроме того, освободившиеся места на верхних уровнях валентной зоны могут занимать электроны с нижних уровней валентной зоны, что можно представить как движение положительно заряженных «квазичастиц», названных дырками, которые тоже участвуют в проводимости. Собственная проводимость обусловлена как бы носителями заряда двух знаков: отрицательными электронами и положительными дырками. Их концентрация будет одинакова n = p. Типичным полупроводником является элемент IV группы таблицы Менделеева – кремний.
Каждый атом кремния имеет четыре валентных электрона. Они образуют ковалентные связи с четырьмя соседями. При высокой температуре тепловое движение может разорвать ковалентную связь (kT > ΔE), освободив один электрон, который становится свободным (т.е. переходит в зону проводимости). Атом потерявший электрон получает избыточный положительный заряд - образуется подвижная дырка. При встрече свободного электрона с дыркой они рекомбинируют, нейтрализуют друг друга.
На зонной диаграмме процессу рекомбинации соответствует переход электрона из зоны проводимости на свободный уровень валентной зоны.
Примесная проводимость полупроводников бывает электронной (n - тип) и дырочной (p - тип) и возникает, если часть атомов полупроводника заменить в кристаллической решетке атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов.
Электронная примесная проводимость возникает, если в решетке кремния часть атомов заменить, например, атомами пятивалентного фосфора (P). Четыре валентных электрона фосфора образуют с кремнием ковалентные связи, а пятый электрон не участвует в образовании связи. Его энергия связи с атомом фосфора невелика (ΔЕд ~ 0,015 эВ), поэтому уже при комнатной температуре он отрывается от атома и становится свободным. При этом образование свободного электрона не сопровождается разрывом ковалентной связи – образованием дырки. Поэтому в примесных полупроводниках n - типа основными носителями заряда являются электроны n >> p. Атомы примеси, поставляющие свободные электроны, называются донорами.
При внесении примеси в запрещенной зоне полупроводника возникает примесный (донор 
ный) уровень, который располагается вблизи зоны проводимости. На этом уровне и находятся «лишние» электроны, не участвующие в ковалентных связях. Получая тепловую энергию kT > ΔEд они переходят в зону проводимости.
Дырочная проводимость возникает, если в решетке кремния часть атомов заменить, например, атомами трехвалентного бора (В). Трех валентных электронов бора недостаточно для образования ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния. Поэтому он захватывает электрон основного атома (для этого нужна небольшая энергия ΔЕА ~ 0,08 эВ) и образуется дырка, которая при последующих переходах электрона будет переемещаться по кристаллу, т.е. будет свободной. При этом электроны в зону проводимости не попадают. В примесных полупроводниках р - типа основными носителями заряда являются дырки: p >> n. При внесении такой примеси в запрещенной зоне полупроводника возникает примесный (акцепторный) уровень, который располагается вблизи валентной зоны. На этот уровень и захватываются электроны из валентной зоны, получая тепловую энергию kT > ΔEА. Кроме основных носителей заряда в примесных полупроводниках существуют и не основные, которые возникают за счет собственной проводимости.
