Раздел 1. Электропроводность полупроводников

Содержание этого раздела является основой для изучения всего последующего учебного материала, связанного с полупроводниковыми приборами.

Тема 1.1. Электропроводность твердого тела

Электроны в твердом теле. Энергетические уровни. Эненргети-ческие зоны. Валентная зона. Зона проводимости. Запрещенная зона. Собственная электропроводность полупроводников. Механизм элект­ропроводности. Подвижность носителей зарядов. Дрейфовый ток. Дыр­ка. Генерация и рекомбинация носителей зарядов. Уровень Ферми. Основные типы полупроводников, применяемых в полупроводниковых

приборах. Атом любого вещества состоит из Положительно заряженного ядра

и некоторого количества электронов, имеющих отрицательный заряд. Количество электронов определяется местом элемента в периодичес­кой системе элементов Менделеева.

Плоскостная модель атома кремния Энергетическая структура валентного слоя

Электроны располагаются на орбитах вокруг ядра. Чем дальше орбита от ядра, тем большей энергией обладает электрон и тем сла­бее его связь с ядром (рис 1). Чтобы перевести электрон с одной орбиты на другую, надо зат-

ратить энергию 1Q 1-fQl, т.е. заряд ядра равен сумме зарядов электронов. Заряд ядра определяется количеством электронов в ато­ме. Электроны располагаются вокруг ядра на орбитах и обладают вполне определенной энергией, поэтому следует рассмотреть энерге­тическую структуру ядра атома, начиная с валентной орбиты (уров­ня), на которой располагаются валентные электроны. Количество ва­лентных электронов определяет валентность вещества. На рис.2 представлена энергетическая структура валентного слоя вещества:

ВЗ - валентная зона - совокупность энергетических уровней ва­лентных электронов; ЗП - зона проводимости - совокупность энергетических уровней свободных электронов;33 - запретная зона - совокупность энергетических уровней, которыми не могут обладать электроны данного вещества. Электропроводность вещества определяется количеством в нем носителей зарядов. Электропроводность твердого тела определяется движением свободных электронов (рис.3). ПП - полупроводниковые вещества, электропроводность которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектри­ками. Следует отметить одно очень важное свойство: электропровод­ность полупроводников зависит от многих внешних факторов: измене­ния температуры окружающей среды, освещенности, примесей и т..д. ПП - это вещества, атомы которых имеют четыре валентных электрона. Наиболее широкое применение получили германий Ge и кремний Si. На рис. 4 показана плоскостная схема кристаллической решетки кремния, а на рис.5 образование собственной электропро­водности полупроводника. Из рис.4 видно, что каждый атом полупроводника связан с че­тырьмя соседними. Разрыв ковалентной связи (связи двух соседних атомов) приводит к появлению свободного электрона и незанятого валентного уровня у атома. Таким образом в ПП электропроводность определяется движением двух носителей зарядов: электронов и ды­рок. Дырка-это не занятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне ПП.

Место и iосновные признаки ПП з полном ряду химических элементов

Рис. 4 д W₃3 - минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он перешел из валентной зоны в зону проводимости (см.рис.5). Возникает пара носителей зарядов. Этот процесс носит название процесса генерации. Любой электрон, свободный или перешедший из соседней ковалентной связи, может за­полнить дырку и она исчезнет (исчезнет и пара носителей заряда), но рядом образуется другая дырка, т.а дырки, как и свободные электроны, совершают хаотическое тепловое движение в полупровод­нике,

Рекомбинация- это процесс исчезновения пары носи­те.;.^; зарядов, т.е. процесс заполнения дырки свободным электроном.

Рис. 5

Полупроводник, в- узлах кристаллической решетки которого нахо­дятся только атомы самого полупроводника, называется с о .6 с т -венным полупроводником. Проводимость собственного полупрoводника невелика и увеличивается с повышением температуры. ¹