1. Вырожденные полупроводники

Если концентрация примеси очень большая, то уровни примесных атомов в полупроводнике (см. «Введение» п.6) расширяются в полосы, сливающиеся с зоной проводимости в случае донорной примеси или с валентной зоной в случае акцепторной примеси. Уровень Ферми (см. «Введение» п.3) оказывается при этом либо в зоне проводимости (рис.4.1.а), либо в валентной зоне (рис.4.1.б). В этом случае говорят о вырождении электронов или дырок и, соответственно, о вырожденных полупроводниках n- или р-типа.

В вырожденном полупроводнике n-типа электроны полностью заполняют не только уровни валентной зоны, но и практически все

Уровни, лежащие в зоне проводимости вблизи ее дна ниже уровня Ферми E_F(рис.4.1.а). При повышении температуры электроны получают энергию от тепловых колебаний кристаллической решетки полупроводника и переходят на уровни с большей энергией. Поэтому слой плотно заполненных уровней вблизи дна зоны проводимости уменьшается, уровень Ферми опускается вниз и при достаточно высокой температуре может оказаться в запрещенной зоне, т.е. вырождение может исчезнуть.

В вырожденном полупроводнике р-типа электроны почти полностью заполняют все уровни валентной зоны ниже уровня Ферми E_F. Выше E_Fэлектронов практически нет (рис.4.1.б). Повышение температуры приводит к переходу электронов на уровни с большей энергией и смещению уровня E_Fвверх, и при некоторой температуре вырождение исчезает. Критическая температура, при которой исчезает вырождение, тем выше, чем больше концентрация примеси.

2. Неравновесные носители заряда

В состоянии теплового равновесия полупроводника произведение концентраций носителей заряда n_op_o=n_i²не зависит от концентрации примеси, где n_i– собственная концентрация носителей заряда. Например, рост n_oза счет доноров сопровождается уменьшением р_oиз-за перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону. Поэтому в врожденном полупроводнике n-типа концентрация дырок очень мала, а в вырожденном полупроводнике р-типа почти нет электронов в зоне проводимости.

Однако возможна такая ситуация, при которой одновременно велики и n, и р, т.е. np>n_i². Такое отклонение от равновесия получается в результате внешнего воздействия на полупроводник, например, облучение его потоком электронов, оптическим излучением и т.д. Но в любом случае энергия внешнего воздействия должна превышать ширину запрещенной зоны полупроводника ΔEg. Генерируемые при этом электронно-дырочные пары рекомбинируют не сразу, и в полупроводнике появляются дополнительные неравновесные электроны и дырки.

51

Распределение неравновесных носителей по энергии описывается формулами (В.4) и (В.5), но уровни Ферми для электронов и дырок будут разными. Их называют электронным E_Fⁿи дырочнымE_F^pквазиуровнями Ферми (рис.4.2.а).

Особенно важен случай, когда электроны и дырки в полупроводнике вырожденны одновременно, т.е. расстояние между квазиуровнями Ферми превышает ширину запрещенной зоны ΔEg(рис.4.2.б). В таком полупроводнике практически все уровни в зоне проводимости междуE_Fⁿи Ес заняты электронами, а в валентной зоне уровни между Ev иE_F^pв основном заполнены дырками.