Электронные

приборы

Рассмотрим механизм электрического тока на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической

решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется

парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз.

Основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np. Такая

проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены

трехвалентные атомы (например, атомы индия, In).

На рис. показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи

соседних атомов образуется вакансия Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной

примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних связей. Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов np >> nn. Проводимость такого типа

называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными

носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

Электроны в атоме могут иметь определенные дискретные значения энергии, соответствующие занимаемым ими электронным орбиталям. Электроны имеют минимально возможные энергетические состояния. Определенное количество (квант) энергии необходимо сообщить электрону, чтобы перевести его на следующее более высокое энергетическое состояние.

Заполненные энергетические состояния называются валентной зоной, следующее энергетическое состояние – это дно зоны проводимости. Зона

проводимости отделена от валентной зоны энергетическим промежутком, называемым запрещенной зоной.

Схема образования энергетических зон в кристаллах: а) энергетические уровни в изолированном атоме; б) расположние атомов в одномерном ряду; в) потенциальное поле в одномерном ряду; г) расположение энергетических зон.

Зонные диаграммы твердых тел

Наивысшая из разрешенных энергетических зон в полупроводниках и диэлектриках, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной, следующая за ней — зоной проводимости. В проводниках зоной проводимости называется наивысшая разрешенная зона, в которой находятся электроны при температуре 0 К. Именно по принципу взаимного расположения этих зон все твердые вещества и

делят на три большие группы (см. рис.):

проводники — материалы, у которых зона проводимости и валентная зона перекрываются (нет энергетического зазора), образуя одну зону, называемую зоной проводимости (таким образом, электрон может свободно

перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию); диэлектрики — материалы, у которых зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 3 эВ (для

того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому

диэлектрики ток практически не проводят); полупроводники — материалы, у которых зоны не перекрываются и расстояние между ними (ширина запрещенной

зоны) лежит в интервале 0,1–3 эВ (для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые полупроводники слабо пропускают ток).

Зонная диаграмма собственного полупроводника

На рисунке а показана упрощенная схема зонной структуры собственного полупроводника. При абсолютном нуле его валентная зона укомплектована полностью, зона проводимости, расположенная над валентной зоной на расстоянии Eg является

пустой. Поэтому при абсолютном нуле собственный полупроводник, как и диэлектрик, обладает нулевой проводимостью.

Однако с повышением температуры вследствие термического возбуждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости (рис. б). Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне - свободных уровней, на которые могут переходить электроны этой зоны. При приложении к такому кристаллу внешнего поля в нем возникает направленное движение электронов зоны проводимости и валентной зоны, приводящее к появлению электрического току. Кристалл становится проводящим.

Чем уже запрещенная зона и выше температура кристалла, тем больше электронов переходит в зону проводимости, поэтому тем более высокую электропроводность приобретает кристалл.