2 Физические основы полупроводниковых приборов

2.1 Зонная теория твердого тела

Полупроводниками называют вещества, занимающие по электропроводности промежуточное положение между металлами (проводниками) и диэлектриками. Чистые полупроводники по электропроводности ближе к диэлектрикам. Особенность электропроводности полупроводников обусловлена спецификой распределения электронов по энергетическим уровням атомов.

Вследствие взаимодействия атомов друг с другом в кристалле разрешенные уровни энергии электронов соседних атомов смещаются, образуя близко расположенные смещенные уровни энергии – подуровни. Подуровни образуют так называемые зоны разрешенных уровней энергии, которые отделены друг от друга запрещенными зонами.

На электропроводность твердого тела существенное значение оказывает расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии в верхней части энергетической диаграммы (рис. 2.1, а), где В – валентная зона, все уровни которой при температуре абсолютного нуля заполнены электронами, С – зона свободных электронов (зона проводимости), на уровни которой могут переходить электроны из валентной зоны при возбуждении атома, и З – запрещенная зона, энергетические уровни в которой отсутствуют. Наличие запрещенной зоны означает, что для перехода в зону проводимости электрону необходимо сообщить энергию, большую, чем величина ∆W.

У металлов запрещенная зона отсутствует (∆W=0) и валентная зона непосредственно примыкает к зоне проводимости. Поэтому в металлах число свободных электронов велико, что и обеспечивает их высокую электро- и теплопроводность. У диэлектриков ширина запрещенной зоны велика (∆W>3 эВ) и при температурах ниже 400-800ºС и в отсутствие сильных электрических полей электроны проводимости практически отсутствуют.

Ширина запрещенной зоны у наиболее распространенных полупроводников – германия (Ge) и кремния (Si) – составляет соответственно 0,72 и 1,12 эВ. Эти полупроводники принадлежат кIVгруппе периодической таблицы элементов Менделеева и имеют четыре валентных электрона. В кристалле полупроводника соседние атомы взаимодействуют между собой, образуя парноэлектронные связи. При этом внешняя электронная оболочка каждого атома содержит восемь электронов. Такая оболочка в атомах является наиболее прочной. На рис. 2.1, а показана двумерная модель кристаллической решетки кремния, где связи, образованные валентными электронами, обозначены двойными линиями.

ионы примесей

2.2 Собственная электропроводность полупроводников

Из-за относительно узкой запрещенной зоны у германия и кремния уже при комнатной температуре некоторые электроны получают энергию, достаточную, чтобы преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости. При уходе электрона в валентной зоне остается незаполненный энергетический уровень – дырка. В нормальном (не возбужденном) состоянии атом электрически нейтрален, так как положительный заряд ядра компенсируется соответствующим количеством электронов, имеющих отрицательный заряд. Поэтому уход одного электрона приводит к тому, что атом приобретает положительный заряд. Таким образом,дырка– это положительный заряд, равный по модулю заряду электрона. В кристаллической решетке при этом происходит разрыв одной из валентных связей и появление свободного электрона, который может свободно перемещаться по кристаллу, и дырки – носителя положительного заряда. Оборванная связь может быть восстановлена, если ее заполнит электрон из соседнего атома.

Процесс образования в чистом полупроводнике пары электрон-дырка получил название генерациисобственных носителей заряда. Одновременно с процессом генерации носителей заряда протекает процесс ихрекомбинации– встречи электронов с дырками, сопровождающийся возвратом электрона из зоны проводимости в валентную зону и исчезновением свободных зарядов.

Благодаря рекомбинации количество носителей заряда в полупроводнике не увеличивается и при постоянной температуре неизменно. Концентрации электронов n_iи дырокp_i в чистом полупроводнике равны:p_i = n_i. В рабочем диапазоне температур концентрация электронов и дырок в чистом полупроводнике мала и по своим электрическим свойствам чистый полупроводник близок к диэлектрикам.