Элементы физики твёрдого тела. Учебное пособие

1. Проводимость полупроводников является проводи­мостью возбуждённой: она появляется под действием внеш­него фактора. Такими факторами могут быть нагревание полупроводников, облучение их светом и ионизирующим излучением.

Сила тока, создаваемая одним электроном, движущимся со скоростью

Полупроводники любой степени чистоты всегда со­держат примесные атомы, создающие свои собственные энергетические уровни, получившие название примесных уровней. Можно ввести примеси сознательно для придания полупроводнику необходимых свойств. Различают два типа примесных уровней – донорные и акцепторные.

Донорные уровни. Предположим, что в кристалле гер­мания часть атомов германия замещена атомами мышьяка. Германий имеет решётку типа алмаза, в которой каждый атом окружён четырьмя ближайшими соседями, связанны­ми с ним ковалентными связями (рис. 30а).

При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решётке германия, превращаясь, таким образом, в элек­трон проводимости.

На языке зонной теории этот процесс можно предста­вить так. Между заполненной валентной зоной и свободной зоной проводимости располагаются энергетические уровни пятого электрона мышьяка (рис. 30б). Эти уровни размеща­ются непосредственно у дна зоны проводимости, отстоя от неё на расстоянии ЕД = 0,01 эВ. При сообщении электро­нам таких примесных уровней энергии ЕД они переходят в зону проводимости. Образующиеся при этом положитель­ные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.

Акцепторные уровни. Предположим теперь, что в ре­шётке германия часть атомов заменена атомами трёхвалент­ного индия (рис. 31б).

Для образования связей с четырьмя ближайшими сосе­дями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заимствовать» у атома германия. Расчёт показывает, что для этого требуется энергия порядка Еа = 0,01 эВ.Разорван­ная связь представляет собой дырку (см. рис. 31г), так как она отвечает образованию в валентной зоне германия ва­кантного состояния.

На языке зонной теории, непосредственно у вершины валентной зоны на расстоянии Еа ≈ 0,01 эВ располагаются незаполненные уровни атомов индия. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при относитель­но невысоких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни (см. рис. 31г). Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещать­ся в решётке и в проводимости не участвуют. Носителями заряда являются лишь дырки, образующиеся в валентной зоне.

Одним из основных параметров, характеризующих газ свободных носителей в полупроводниках, является химиче­ский потенциал μ. В применении к электронному и дыроч­ному газу его называют уровнем Ферми.

В собственных и слаболегированных примесных полу­проводниках электронный (дырочный) газ является невы­рожденным, и распределение электронов по состояниям описывается статистикой Максвелла-Больцмана.

а концентрация дырок в дырочном полупроводнике – кон-

Квантово-механический расчёт показывает, что в слу­чае идеальной кристаллической решётки электроны про­водимости не испытывали бы при своём движении ника­кого сопротивления и электропроводность металлов была бы бесконечно большой. Однако кристаллическая решёт­ка никогда не бывает совершенной. Нарушения строгой периодичности решётки бывают обусловлены наличием примесей или вакансий, а также тепловыми колебаниями решётки. Рассеяние электронов на атомах примесей и на фононах приводит к возникновению электросопротивления металлов. Чем чище металл и ниже температура, тем мень­ше это сопротивление.