7. 2. Электропроводность полупроводников

СОБСТВЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

ч Собственный полупрпиолник — ролупроволник-, не содержащий примесей, влияющих на его электропроводность. Общие представле­ния зонной теории твердого тела, приведенные во введении, указы­вают, что для полупроводников характерно наличие не очень широ­кой запрещенной зоны в энергетической диаграмме (см. рис. В-8). Ширина запрещенной зоны полупроводниковых элементов приведена в табл. 8-2. Для наиболее широко используемых полупроводников она составляет (0,8—4,0)-10"¹⁹Дж (0,5—2,5 эВ). На рис. 8-1,априве- дена энергетическая диаграмма собственного полупроводника, т. е.

Рис. 8-1. Влияние примесей на энергетическую диаграм- му полупроводников: а — собственный полупроводник; б — полупроводник с донор- ной примесью, электропро- водность электронная («-ти- па); в — полупроводник с акцепторной примесью, элек- тропроводность дырочная (р-типа)

такого, у которого элек- троны в зону свободных энергетических уров-

ней (зону проводимости) могут поставляться только из за- полненной электронами зоны (валентной зоны). Распределение электронов по уровням энергии, изображенное на рис. 8-1, а, соот- ветствует некоторой температуре Т, при которой в зону проводимости перешло несколько электронов, образовав в валентной зоне соответ- ствующее число дырок. Так как при каждом акте возбуждения в собственном полупроводнике одновременно создаются два заряда противоположных знаков, то общее число носителей заряда будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости, т. е.

^поi — Рой ^поi "Ь Pai = 2«₀г* (8-1)

Индекс i (от слова intrinsic — присущий, внутренний) у кон- центрации электронов и концентрации дырок означает, что это собственные носители зарядов. В рассматриваемом случае удельная проводимость

y = en_oiu_n +ep_oiu_p. (8-2)

В результате процессов возбуждения и рекомбинации при любой температуре тела устанавливается равновесная концентрация воз- бужденных носителей:

электронов

= 2jV₀exp (

(8-3)

а)

дырок

Pot = 2N_B exp ■ _ш

где W — ширина запрещенной зоны полупроводника; N_c — число энергетических уровней в единице объема полупроводника в свобод­ной зоне (зоне проводимости); Ы_ъ — то же, в валентной зоне. Коэф­фициент, равный двум, показывает, что на каждом уровне могут находиться два электрона.

Подвижности электронов и_п и дырок и_р в выражении (8-2) не­одинаковы. Электроны и дырки обладают различной инерцион­ностью при движении в поле кристаллической решетки полупровод­ника, т. е. отличаются друг от друга эффективными массами rtin и trip. В большинстве случаев Шп <3 rtip. Отсюда собственная электро­проводность полупроводников имеет слабо преобладающий элек­тронный характер.

W

б)

■■
—*~t—	1 г £

%

I

w

2kT

)•

(8-4)

Общие представления. Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в прак­тике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы,

• которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т. е. полу- Тфгшппнйки г гтогтятоцно широкой запрещённой зоной. В рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда I являются примеси. Примесями в простых полупроводниках служат ' чужеродные атомы. Под примесями в полупроводниковых химиче­ских соединениях понимают не только включения атомов посторон­них элементов, но и избыточные по стехиометрическому составу атомы тех самых элементов, которые входят в химическую формулу самого соединения. Кроме того, роль примесей играют всевозможные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, атомы или ионы, оказавшиеся в междоузлиях решетки, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации кристалла, микротре­щины и т. д. (стр. 12). Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то они называются примесями замещения, если в междоузлиях — примесями внедрения.

Доноры и акцепторы. Рассмотрим роль тех примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в пределах запрещенной зоны полупроводника. При небольшой концентрации примесей их атомы расположены в решетке полупроводника на таких больших расстояниях друг от друга, что они не взаимодействуют, а потому энергетические уровни их почти такие же, как в отдельном свободном атоме. Вероятность непосредственного перехода электро­нов с одного примесного атома на другой ничтожно мала. Однако примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны.

Доноры. Заполненные при отсутствии внешних энергетиче­ских воздействий (теплота, свет) примесные уровни расположены в запрещенной зоне около «дна» зоны проводимости (рис. 8-1, б). При этом энергия активации примесных атомов меньше, чем ширина запрещенной зоны основного полупроводника, а потому при нагреве тела переброс электронов примеси будет опережать возбуждение электронов решетки. Положительные заряды, возникшие у отдален­ных друг от друга примесных атомов (на рис. 8-1,6 уровни примеси показаны с разрывами), остаются локализованными, т. е. не могут блуждать по кристаллу и участвовать в электропроводности. Полу­проводник с такой примесью имеет концентрацию электронов, боль­шую, чем концентрация дырок, появившихся за счет перехода элек­тронов из валентной зоны в зону проводимости, и его называют полупроводником п-типа, а примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, — донорами.

Акцепторы. Другие примеси могут внести незаполненные Уровни, располагающиеся в запрещенной зоне основного полупро­водника вблизи «потолка» валентной зоны. Тепловое возбуждение

а) ||||| Р^ис- 8-2. Схематическое изображение кристал-