Энергетические зоны.

Электропроводность различных веществ обычно поясняют с помощью энергетических зонных диаграмм (см. рис. а, б, в), на вертикальной оси которых откладывают энергию (Е) валентных электронов (рис. 1а,б,в). (рис. 26а,б, в) р/э.

Рис. 1

Пока валентный электрон находится на ковалентной орбите, его энергия соответствует одному из уровней валентной зоны ВЗ. Электрон, которому сообщена дополнительная энергия, поднимается на более высокий уровень этой зоны или покидает атом и становится свободным. В этом случае его энергия соответствует одному из уровней зоны проводимости ЗП.

В проводнике переход валентных электронов из валентной зоны в зону проводимости облегчен, поэтому при 300 К^˚ все валентные электроны участвуют в создании электрического тока (рис 1а).

Переход валентных электронов диэлектрика в зону проводимости затруднен, так как его валентная зона отделена от зоны проводимости широкой запрещенной зоной (ЗЗ), ни один из уровней энергии которой не может быть занят валентным электроном (рис. 1б).р/э.

Запрещенная зона полупроводника невелика и для Ge составляет 0,803эВ, для Si – 1,12 эВ, а для GaAs – 1,43 эВ. Поэтому при 300 К^˚ собственные полупроводники имеют заметную электропроводность. В собственном полупроводнике концентрации свободных носителей заряда – электронов n_i и дырок p_i одинаковы.

Для создания полупроводниковых приборов обычно применяют не собственные полупроводники, концентрация носителей заряда в которых зависит только от температуры, а примесные, которые бывают n и p – типов.

Примесная электропроводность полупроводников.

Полупроводник n – типа. (рис. 2а,б), (рис. 27а, б)р/э.

При введении в собственный полупроводник германия пятивалентной примеси 5 группы (например, атомом сурьмы) в нем образуется избыточная концентрация электронов. Атом такой примеси, занимая узел кристаллической решетки полупроводника, оказывается в окружении его атомов (рис. 2а). На зонной диаграмме электронного полупроводника (рис. 2б) появляется дополнительный – донорный уровень энергии ДУ, расположенный в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. На этом уровне размещается один из пяти электронов примеси, который не может участвовать в парной ковалентной связи, поскольку они заняты четырьмя другими электронами. Интервал энергии  Е_д между донорным уровнем и дном зоны проводимости по сравнению с интервалом энергии запрещенной зоны мал, поэтому валентный электрон покидает донорный уровень переходит в зону проводимости.

Нейтральность кристалла при этом не нарушается.

Таким образом, в полупроводнике создают избыточную концентрацию электронов, называемых основными носителями заряда. Дырки, которых в полупроводнике значительно меньше, называют неосновными носителями заряда.

Таким образом, германий с примесью элементов 5 группы обладает электронной электропроводностью. Полупроводник, электропроводность которого обусловлена перемещением электронов, называется электронным (или полупроводником n – типа). Примеси, обуславливающие электронную электропроводность полупроводника, называют донорными (т.е. отдающими электроны).

Для электронного полупроводника (n – типа) справедливо отношение n_np_n = n_ip_i , где n_n и p_n – концентрация электронов и дырок.

Полупроводник p – типа. (рис. 3а,б), (рис. 28 а,б)

Рассмотрим поведение трехвалентного атома примеси, например индия, в кристаллической решетке германия. При введении в собственный полупроводник трехвалентной акцепторной примеси, три электрона атома индия образует три парные ковалентные связи с тремя из четырех соседних атомов германия (рис. 3, а), а недостающий четвертый электрон отбирается у соседнего атома полупроводника. При этом на месте оборванной ковалентной связи появляется дырка. Атом индия, замещающий германий в кристаллической решетке, становится при этом отрицательным ионом.

На зонной диаграмме дырочного полупроводника (рис. 3 б) появляется акцепторный уровень энергии АУ, расположенный в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Интервал энергии  Е_А между акцепторным уровнем и потолком валентной зоны по сравнению с интервалом энергии запрещенной зоны мал, поэтому валентный электрон покидает валентную зону и переходит на акцепторный уровень, восполняя недостающую ковалентную связь атома примеси. В валентной зоне при этом образуется дырка. В дырочном полупроводнике дырки являются основными, а электроны неосновными носителями заряда.

Для дырочного полупроводника (p – типа) справедливо соотношение n_pp_p = n_Ip_I , где n_p и p_p - концентрации электронов и дырок.