1. Собственными полупроводниками или полупроводниками типа i (от английского intrinsic - собственный) называются чистые полупроводники, не содержащие примесей. Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решетки. В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями, в результате которых происходит обобществление валентных электронов и образование устойчивых электронных оболочек, состоящих из восьми электронов.  

2. Примесными полупроводникам называются полупроводники, содержащие примеси, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Они подразделяются на электронные и дырочные.

• Электронным полупроводником или полупроводником типа n ( от латинского negative - отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого помимо основных (четырехвалент-ных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами.

• Дырочным полупроводником или полупроводником типа p ( от латинского positive - положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 1.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами.

3. Энергия Ферми  Энергия Ферми - максимальная энергия электронов при температуре в 0 К. Энергия Ферми растет с увеличением количества электронов в квантовой системе и, соответственно, уменьшается с уменьшением количества электронов (фермионов). В теории полупроводников важно знать, где расположен уровень энергии, вероятность заполнения которого электронами равна 0,5. Этот уровень получил специальное наименование и называется уровнем Ферми

4. Уровень Ферми в полупроводниках различных типов проводимости  Следует заметить, что в любом полупроводнике при стремлении температуры к абсолютному нулю уровень Ферми находится посередине запрещенной зоны. Но при повышении температуры в примесных полупроводниках он смещается либо вверх, либо вниз. Причина этого - в переходе электронов с валентной зоны в зону проводимости или наоборот, что обусловливает изменение энергии зоны проводимости и последующее смещение уровня Ферми (что Вас, собственно, и интересует).  В случае с беспримесными полупроводниками, уровень Ферми при любой температуре проходит по середине запрещенной зоны.  В случае с n-полупроводниками, количество электронов в зоне проводимости больше, чем у беспримесных полупроводников, поэтому средняя энергия электронов в зоне проводимости, в силу того же роста суммарной энергии системы при увеличении количества фермионов, повышается. Из-за этого, чтобы покинуть валентную зону и перейти в зону проводимости, электрону в n-полупроводнике требуется больше энергии, чем электрону из беспримесного полупроводника. Потому уровень Ферми находится выше средины запрещенной зоны. Формально, уровень Ферми в n-полупроводниках лежит посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем.  В случае с p--полупроводниками, наблюдается обратная ситуация: чем большая концентрация акцепторов (например, атомов In), тем меньшая средняя плотность энергии электронов в зоне проводимости полупроводника, тем меньше средняя энергия на один электрон, и тем меньшая энергия требуется электрону, чтобы перейти в зону проводимости. Потому уровень Ферми находится ниже средины запрещенной зоны.

5. Чем больше содержится примесей, тем дальше от середины запрещенной зоны расположен уровень Ферми. С повышением температуры уровни Ферми в электронном и дырочном полупроводниках сдвигаются к середине запрещенной зоны.

6. В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника. Если значительно преобладают электроны, то такой полупроводник называется полупроводником n-типа. Электроны, в этом случае, называются основными носителями заряда, а дырки — неосновными. Соответственно, если преобладают дырки, то полупроводник является полупроводником p-типа, дырки — основными носителями, а электроны неосновными. Т.е концентрация электронов больше чем концентрация дырок.

7. Равновесная концентрация носителей - концентрация свободных электронов и дырок в полупроводнике, обусловленная динамическим равновесием процессов их тепловой генерации и рекомбинации. Генерация носителей происходит благодаря тепловым колебаниям атомов кристалла полупроводника, причем вылет электрона из атома сопровождается появлением дырки, так что генерируются пары электрон - дырка. Темп генерации возрастает с повышением температуры. Равновесные концентрации электронов ии дырок/), определяемые только температурой материала, связаны соотношением пр = п\, которое означает, что концентрации основных и неосновных носителей независимы друг от друга, так как для данного материала при данной температуре величина щ постоянна

8. 6. Зависимость концентрации носителей заряда от температуры

Для собственного полупроводника концентрация свободных носителей в зависимости от температуры определяется выражением

n = Ae^-ΔWο/2kT,     (8)

где n - концентрация носителей заряда; ΔWο - ширина запрещенной зоны; k - постоянная Больцмана; А - константа, зависящая от температуры; е - основание натуральных логарифмов.

Для примесных полупроводников

n₁ = Be^-ΔWп/2kT,     (9)

где ΔWп - энергия ионизации примеси; В - константа, не зависящая от температуры.

Леги́рование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и/или химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.

С ростом температуры происходит увеличение степени ионизации примесных атомов, приводя к  увеличению концентрации носителей заряда (рисунок 9.3). Начиная с некоторой температуры все примесные атомы ионизованы, и в интервале температур концентрация носителей заряда остается постоянной (область истощения примесей). При достижении определенной температуры концентрация носителей заряда снова увеличивается за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости (собственные носители заряда).

Рис. 9.3. Зависимость концентрации носителей заряда от температуры в примесных полупроводниках для различных степеней легирования

9. p — n-перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — разновидность гомопереходов, Зоной p-n перехода называется область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p.  Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями:  1. в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (n-область), а в другой — акцепторной (p-область);  2. на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости.  Если p — n-переход получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник, то переход от n- к р-области происходит скачком (резкий переход). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный переход. 

Энергетическая диаграмма p — n-перехода. a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении

1 0.

11. В условиях равновесия p-n перехода, когда отсутствует внешнее напряжение, энергия Ферми одинакова для любого объема полупроводника, что приводит к горизонтальности положения уровня Ферми на энергетической диаграмме, представленной на рис.3.

Р ис. 3. Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии

На рис. 3 обозначено:

+

+

, - основные носители заряда; - неосновные носители заряда; Wп - энергетический уровень дна зоны проводимости; W_F - энергетический уровень Ферми; Wср - энергетический уровень середины запрещенной зоны; Wв - энергетический уровень потолка валентной зоны; Wз - энергия, соответствующая ширине запрещенной зоны. Уровень Ферми в полупроводнике p-типа расположен вблизи энергетического уровня потолка валентной зоны, а в полупроводнике n-типа - вблизи энергетического уровня дна зоны проводимости, причем уровень Ферми ближе расположен к энергетическому уровню потолка валентной зоны, чем к энергетическому уровню дна зоны проводимости, из-за того, что Nа>>Nд. У изолированных p- и n-областей энергии Ферми неравны, поэтому при объединении областей в единый кристалл полупроводника на основании фундаментального свойства уровня Ферми (gradW_F=0) происходит смещение энергетических уровней n-области относительно энергетических уровней p-области, как и показано на рис. 3. В результате смещения энергетических уровней создается энергетический (потенциальный) барьер величиной

e_к=W_Fn – W_Fp.

Основные носители заряда областей полупроводника p- и n-типов, энергия которых больше высоты барьера, диффузионно преодолевают его. Основные носители заряда, переходящие p-n переход в тормозящем для них электрическом поле, образуют диффузионную составляющую тока перехода i_D. В то же время неосновные носители заряда, находящиеся вблизи p-n перехода и совершающие тепловое хаотическое движение, попадают под действие электрического поля p-n перехода, увлекаются им и переносятся в противоположную область: электроны p-области в n-область; дырки n-области в p-область. Неосновные носители заряда, переходящие переход под действием напряженности электрического поля Eк p-n перехода, образуют дрейфовую составляющую тока i_E через переход. Условие равновесия выполняется, когда диффузионный ток i_D будет компенсирован встречным дрейфовым током i_E и полный ток через переход будет равен нулю: .