12

Лекция № 18 Зонная теория твердых тел (продолжение)

Собственные и примесные полупроводники

Полупроводниками называются кристаллы, у которых при 0^о К валентная зона полностью заполнена электронами и ширина запрещенной зоны мала.

По электропроводности полупроводники занимают промежуточные положения между металлами и диэлектриками. Отсюда и их название.

Различают собственные и примесные полупроводники.

А) Собственные полупроводники.

К ним относятся химически чистые полупроводники Ge, Si и др.

В полупроводниковом кристалле при 0^о К электроны заполняют все энергетические уровни валентной зоны, уровни зоны проводимости свободны и разделены запрещенной зоной (рис. а).

Образование

вакантных уровней в валентной зоне полупроводника.

Пример: атомная связь в германии.

При 0^о К в отсутствии внешних воздействий (облучение рентгеновскими лучами, радиация) полупроводник не проводит электрический ток, то есть ведет себя как диэлектрик. При повышении температуры (рис. б) полупроводника электроны начинают переходить из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне образуется свободная дырка, которая может быть заполнена электронами из нижнего уровня валентной зоны. Дырка – это положи-тельно заряженная квазичастица . Отметим, что движение дырки – это не перемещение какой-то реальной положительно заряженной частицы, а отображение характера движения всей многоэлектронной системы в полупроводнике.

Электропроводность, обусловленная наличием дырок и свободных электронов, образованных в результате теплового движения в беспримесном полупроводнике называется собственной проводимостью полупроводника, а само вещество называется собственным полупроводником.

Т аким образом, собс-твенная проводимость возни-кает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне на их месте – дырки.

Распределение электронов по уровням валентной зоны и зоны проводимости описы-вается функцией Ферми-Дирака.

Уровень Ферми лежит посередине запрещенной зоны. При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости создаются одновременно два носителя тока: электроны и дырки.

Наряду с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости происходит и обратный переход – соединение свободного электрона с дыркой или рекомбинация. В результате действия двух конкурирующих между собой процессов – генерации и рекомбинации свободных носителей – устанавливается некоторая равновесная концентрация свободных носителей тока.

П ри помещении чистого полупроводника в электрическое поле электроны начинают двигаться против поля, а дырки наоборот. Электрический ток обусловлен совместным движением дырок и электронов, причем подвижность их примерно одинакова.

Б) Примесные полупроводники.

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами с другой валентностью. Рассмотрим случай, когда валентность такого атома больше на единицу.

Пример: решетка Ge с примесью пятивалентных атомов фосфора. Для образования ковалентных связей Ge и P достаточно четырех электронов. Пятый – странствующий, отщепляется от атома за счет энергии теплового движения.

З десь образование свободного электрона не сопровождается образованием дырки. Имеется только один вид носителей тока – электроны. Поэтому говорят, что такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником n-типа (negative -отрицательный). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами. Под действием внешнего поля электроны движутся навстречу полю. Если увеличивать температуру, то сначала возникает собственная проводимость проводника, а потом – примесная.

На графике распределения энергии донорные уровни расположены в верхней части запрещенной зоны.

Рассмотрим случай, когда валентность внедренного атома меньше на единицу.

Пример: решетка Si (4 валентных электрона) с примесью В (бор – 3 валентных электрона).

Т рех валентных электронов атома бора недостаточно для образования связей со всеми четырьмя соседями. Одна из связей неукомплектована и способна захватить электроны. Когда на нее переходит электрон из другой ковалентной пары, возникает дырка. Таким образом, носителями тока будут дырки. Поэтому говорят, что такой полупроводник обладает дырочной проводимостью или является полупроводником р-типа (positive - положительный). Примеси, вызывающие возникновение дырок, называют акцепторами.

П римеси искажают решетки. Это приводит к возникновению примесных уровней, расположенных в запрещенной зоне. В случае полупроводников n-типа примесные уровни называют донорными, а в случае полупроводников р-типа – акцепторными.

Акцепторные уровни расположены близко к валентной зоне. Электрон перемещается на акцепторный уровень, а дальше перемещаются дырки.

Уровень Ферми в полупроводниках n-типа располагается в верхней половине запрещенной зоны, а в полупроводниках р-типа – в нижней. При повышении температуры в полупроводниках обоих типов он смещается к середине запрещенной зоны.