41

Электроны, находящиеся в каждом слое, обладают строго определенной энергией (разрешенный энергетический уровень). Электроны всегда стремятся занять низшие энергетические уровни, поэтому внутренние электронные слои оказываются, как правило, целиком заполненными. Электроны, не уместившиеся во внутренних слоях, образуют незаполненный внешний слой. Электроны, расположенные на внешних орбитах, слабее связаны с ядром и могут вступать во взаимодействие с другими атомами. Количество электронов во внешнем слое определяет валентность элемента в химических реакциях. Эти электроны называются валентными. Во внешнем слое атомов германия [32– (2+8+18) = 4] и кремния [14 – (2+8) = 4] находится по четыре электрона, что и определяет четырехвалентность этих элементов.

Электроны могут переходить с одной орбиты на другую. При этом электрон не может перемещаться на произвольные орбиты с запрещенными энергетическими уровнями. При самопроизвольном переходе электрона с орбиты с большим энергетическим уровнем на орбиту с меньшим энергетическим уровнем атом излучает квант энергии.

Если же электрон под воздействием теплоты, света или других внешних факторов получит квант энергии, то он перейдет на новую, более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон называется возбужденным. Предельным случаем возбуждения является ионизация, при которой электрон покидает атом, становясь свободным электроном, а оставшийся атом приобретает положительный заряд и становится ионом.

В твердом теле (кристалле) происходит взаимодействие между соседними атомами, заключающееся в том, что на электроны воздействуют ядра соседних атомов. В результате этого взаимодействия происходит смещение и расщепление энергетических уровней электронов. Эти уровни образуют энергетическую зону. На рис. 2.1 условно показано расположение энергетических зон твердого тела. Уровни энергии, занятые электронами невозбужденного атома, образуют заполненную зону. Совокупность энергетических уровней, соответствующих наружному электронному слою, образует валентную зону. Электроны, которые получили дополнительную энергию, переходят на более высокий уровень этой зоны или переходят в свободную зону, нижняя часть которой называется зоной проводимости, так как ее уровни могут занимать возбужденные электроны, обеспечивающие электропроводность вещества. Между свободной зоной и заполненной зоной располагается промежуток, не содержащий разрешенных энергетических уровней и называемый поэтому запрещенной зоной.

З онная структура лежит в основе разделения веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики. На рис 2.2 показано типичное расположение энергетических зон для этих групп веществ. У проводников (металлов) валентная зона и зона проводимости перекрывают друг друга, т.е. запрещенная зона отсутствует, и валентные электроны легко переходят в зону проводимости. У диэлектриков ширина запрещенной зоны велика (более 6 эВ (электрон-вольт)), следовательно, для перехода валентных электронов в зону проводимости им нужно сообщить значительную энергию. Такой процесс происходит при пробое изоляции. У полупроводников запрещенная зона относительно мала и колеблется от 0,1 до 3,0 эВ. Поэтому в полупроводниках под влиянием внешних энергетических воздействий (свет, электрическое поле и др.) возбужденные электроны, получив кванты энергии, могут переходить из валентной зоны в зону проводимости, резко увеличивая электропроводность вещества. Именно поэтому у полупроводников проводимость с увеличением температуры возрастает.

2. Электрофизические свойства полупроводников

В зависимости от структурных особенностей твердых тел принято различать:

аморфные вещества, не имеющие какой-либо определенной структуры;

поликристаллические вещества, состоящие из отдельных гранул или малых областей. Каждая гранула имеет четко выраженную структуру, однако размеры и ориентация гранул в соседних областях совершенно произвольны;

монокристаллические вещества, атомы которых пространственно упорядочены и образуют трехмерную периодическую структуру, называемую кристаллической решеткой.

Для обеспечения требуемых свойств полупроводниковые устройства и интегральные схемы выполняют из монокристаллов кремния или германия. Германий и кремний имеют такое же кристаллическое строение, как и алмаз. Кристаллическая решетка кремния и германия имеет объемную структуру, но ради наглядности ее можно изобразить плоской, как это сделано на рис. 2.3. В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника, каковыми являются германий и кремний, каждый атом связан с четырьмя соседними атомами с помощью двух валентных электронов по одному от каждого атома. Такая связь называется ковалентной. При ее образовании электрон принадлежит уже не одному, а обоим связанным между собой атомам, т.е. является для них общим. В результате внешний слой электронной оболочки каждого из атомов кристаллической решетки имеет как бы по восемь электронов, т.е. является целиком заполненным, и следовательно, электронная оболочка каждого атома представляет собой устойчивую к внешним воздействиям систему. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет. Такую кристаллическую структуру имеют химически чистые (беспримесные) полупроводники при температуре абсолютного нуля, когда они обладают свойствами идеальных диэлектриков.

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает свободное место (образование в валентной зоне незаполненного энергетического уровня), обладающее положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона. Такое место (вакантное энергетическое состояние), освободившееся в ковалентной связи, носит название дырки. Валентные электроны соседних атомов в присутствии электрического поля могут переходить на эти свободные уровни, создавая дырки в другом месте. Такое перемещение электронов можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных зарядов – дырок.

Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов, называют электронной, а электропроводность, обусловленную движением дырок, – дырочной. При электронной проводимости основными переносчиками заряда являются отрицательно заряженные электроны, поэтому такую проводимость называют проводимостью n-типа (от английского negative – отрицательный). При дырочной проводимости основными переносчиками заряда являются положительно заряженные дырки, поэтому такую проводимость называют проводимостью p-типа (от английского positive – положительный).

У абсолютно чистого и однородного полупроводника при температуре, отличной от 0К, свободные электроны и дырки образуются попарно, т.е. число электронов равно числу дырок. Электропроводность такого полупроводника (собственного), обусловленная парными носителями теплового происхождения, называется собственной.

Процесс образования пары электрон - дырка называют генерацией пары. При этом генерация пары может быть следствием воздействия не только тепловой энергии, но и кинетической энергии движущихся частиц, энергии электрического поля и т.д.

Образовавшиеся в результате генерации пары электрон и дырка совершают хаотическое движение в объеме полупроводника до тех пор, пока электрон не будет захвачен дыркой, а энергетический уровень дырки не будет занят электроном из зоны проводимости. При этом разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а носители заряда – электрон и дырка – исчезают. Процесс восстановления разорванных валентных связей называют рекомбинацией.

В технике полупроводников широкое применение находят полупроводники, у которых часть атомов в узлах кристаллической решетки замещена атомами вещества с другой валентностью. Такие полупроводники называют примесными. С четырехвалентными германием и кремнием используют пятивалентные (мышьяк, сурьма, фосфор) и трехвалентные (бор, алюминий, индий, галлий) примеси.

В случае пятивалентной примеси (рис. 2.4) четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним» в кристаллической решетке. Энергия ионизации этого электрона намного меньше ширины запрещенной зоны чистого полупроводника. В результате даже при комнатной температуре «лишние» электроны легко освобождаются от своих атомов, переходя в зону проводимости. При этом в узлах кристаллической решетки образуются положительно заряженные ионы атомов примеси, которые, в отличие от дырок, являются неподвижными. Полупроводники, электропроводность которых обеспечивается благодаря избытку свободных электронов, называют полупроводниками n-типа, а примеси, их создающие,– донорными. Электроны в полупроводнике n-типа называют основными, а дырки – неосновными носителями зарядов.

При введении трехвалентной примеси (рис. 2.5) в одной из ковалентных связей каждого примесного атома отсутствует электрон (связь r на рис. 2.5). Валентные электроны примеси расположены на энергетическом уровне, находящемся вблизи от зоны валентных электронов собственного полупроводника. Поэтому электроны валентной зоны собственного полупроводника легко захватываются трехвалентными атомами примеси, образуя устойчивую восьмиэлектронную оболочку, и превращают атом примеси в отрицательный ион (на рис. 2.5 показано, что электрон S из соседнего атома занимает место в недостающей ковалентной связи). На месте ушедшего электрона образуется дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порожденным термогенерацией. При этом в полупроводнике концентрация дырок превысит концентрацию свободных электронов собственной электропроводности. Следовательно, в полупроводнике будет преобладать дырочная проводимость. Полупроводники, электропроводность которых обеспечивается благодаря избытку свободных дырок, называют полупроводниками p-типа, а примеси их создающие,– акцепторными. Дырки в полупроводнике p-типа называют основными, а электроны – неосновными носителями зарядов.