Раздел 1. Полупроводниковые приборы

Глава 1.1. Электропроводность полупроводников

1. Строение и энергетические свойства кристаллов твердых тел

Все вещества по электрическим свойствам делят на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

По величине удельной электрической проводимости полупро­водники занимают промежуточное положение между проводника­ми и диэлектриками. Они обладают особыми свойствами, свя­занными с физической сущностью механизма их электропровод­ности. На этих свойствах основан принцип действия разнообраз­ных полупроводниковых приборов, их характеристики и область применения.

Чтобы рассмотреть структуру и энергетические свойства кристаллических твердых тел, к которым относятся кремний и германий — полупроводники, получившие наибольшее распро­странение для изготовления полупроводниковых приборов, — следует сначала обратиться к энергетическим свойствам отдель­ного атома.

Из электронной теории строения вещества известно, что наименьшей частицей химического элемента является атом; он имеет ядро, вокруг которого движутся электроны, создавая электронную оболочку. Суммарный отрицательный заряд элек­тронов уравновешивает положительный заряд ядра, так что в нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Двигаясь вокруг ядра по определенным орбитам, электроны удалены от ядра на разные расстояния и, соответственно, обладают разной по величине энергией: чем дальше от ядра, тем больше энергия электрона и тем слабее он связан с ядром. Электроны наружного слоя электронной оболочки называют валентными. Они обладают наибольшей энергией и слабее всего связаны с ядром.

Согласно квантовой теории, электроны атома могут обладать только строго определенными значениями энергии, именуемыми разрешенными. Эти значения энергии называют энергетическими уровнями. Распределение электронов по энергетическим уровням носит название диаграммы энергетических уровней, или энерге­тической диаграммы. Пример такой диаграммы для изолирован­ного атома дан на рис. 1.1, а. По вертикали отложено значение величины энергии, а соответствующий энергетический уровень показан горизонтальной линией (по горизонтали ничего не откладывают). В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться одновременно не более двух электронов, имеющих разные направления вращения вокруг своей оси (противоположные спины).

W

а

Рис. 1.1. Разрешенные энергетические уровни элект­ронов в отдельном атоме (с) и расщепление их на энергетические зоны в кристалле (б)

Если атом находится в нормальном состоянии и не поглощает извне энергию, то все нижние разрешенные энергетические уровни заняты электронами; переход электрона с одного уровня на другой невозможен. Более высокие разрешенные уровни остаются не занятыми электронами и называются свободными. Переход электрона на более высокий свободный энергетический уровень, т. е. на более удаленную от ядра орбиту, возможен лишь при поглощении им извне строго определенной порции энергии, равной разности значений энергии свободного и заня­того этим электроном уровней, В этом случае атом переходит в возбужденное состояние.

Возбуждение атомов может осуществляться за счет воздей­ствия любого вида энергии — тепловой, световой, электрической, магнитной, причем внешняя энергия может поглощаться электро­нами только строго определенными порциями — квантами. Возбужденное состояние атома очень неустойчиво. Оно длится всего стомиллионную долю секунды, и атом возвращается в нормальное состояние, что сопровождается переходом электрона обратно на свой прежний энергетический уровень. Переход атома из возбужденного в нормальное состояние сопровождается вы­делением избытка энергии в виде кванта электромагнитных излучений независимо от того вида энергии, под воздействием которого ранее произошло возбуждение атома.

Если количество поглощенной извне дополнительной энергии достаточно велико, то электрон совсем отрывается от атома, т. е. происходит ионизация атома: он расщепляется на свободный электрон и положительный ион. Обратный процесс — соединение свободного электрона и положительного иона в нейтральный атом — носит название рекомбинации и сопровождается выделе­нием избытка энергии в виде кванта излучения. Выделяемая энергия равна затраченной ранее на ионизацию атома.

При образовании кристаллов твердого тела возникает взаимо­действие между атомами, в результате которого разрешенные уровни энергии отдельных атомов как бы расщепляются на ряд близко расположенных, но отделенных друг от друга (дискрет­ных) уровней, образующих энергетические зоны (рис. 1.1.6). При этом сохраняется, как и в отдельном атоме, принцип Паули, в соответствии с которым на одном энергетическом уровне не может быть более двух электронов с противоположным направ­лением вращения вокруг собственной оси.

Уровни энергии отдельного атома, занятые электронами при температуре абсолютного нуля Т — О К, образуют в кристалле заполненные зоны, верхняя из которых, занятая валентными электронами, называется валентной зоной.

Разрешенные более высокие уровни энергии атома, не заня­тые электронами при Т = О К, образуют в кристалле свободную зону, ее нижняя часть, уровни которой могут занимать электро­ны, получившие дополнительную энергию, называется зоной про­водимости. Электроны, находящиеся в зоне проводимости, участвуют в создании электрического тока под действием при­ложенного к кристаллу напряжения, так как эти электроны не связаны с атомами, являются свободными и могут перемещаться по кристаллу. Электроны, находящиеся в заполненной зоне, связаны с атомами и не могут осуществлять электропроводность вещества.

В различных по характеру электропроводности веществах валентная зона и зона проводимости либо примыкают друг к другу, либо отделены запрещенной зоной. Запрещенная зона представляет собой полосу таких значений энергии ДЩ, которы­ми не могут обладать электроны в кристалле. Наличие запрещен­ной зоны характерно для полупроводников и диэлектриков; у металлов ее нет.

Энергетические диаграммы металлов, полупроводников и ди­электриков при Т — О К представлены на рис. 1.2. На этих диаг­раммах валентная зона, заполненная электронами, показана более толстыми сплошными линиями, а зона проводимости, в которой при этих условиях нет электронов, — тонкими линиями.

В металлах при образовании кристаллической решетки все валентные электроны атомов, имея слабую связь с ядром, уже при небольшой дополнительной энергии отрываются от атомов

и становятся свободными. Они совершают хаотическое тепловое движение внутри кристалла между узлами кристаллической решетки, в которых располагаются положительные ионы — остатки атомов, потерявших валентные электроны. Под действи­ем электрического поля свободные электроны движутся направ­ленно, обеспечивая высокую удельную электрическую проводи­мость. Эти свойства отражает энергетическая диаграмма металла (рис. 1.2, а), на которой валентная зона непосредственно грани­чит с зоной проводимости или даже частично перекрывается ею. Это означает, что практически все валентные электроны легко могут перейти на свободные уровни в зону проводимости; для этого достаточно тепловой энергии, сообщаемой им при темпера­туре, отличной от абсолютного нуля.

W

Зона —_ проводимости

-Запрещенная

зона

— Валентная — зона

Д W.

w

w

Зона

прово­

димости

Д\Л/₃

Валентная

зона

а б в

Рис. 1.2. Энергетические диаграммы металлов (а), полупроводни­ков (б) и диэлектриков (в)

В полупроводниках зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной (рис. 1.2,6). Это означает, что для перевода валентного электрона в зону проводимости ему нужно сообщить извне определенную дополнительную энергию, завися­щую от ширины запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны ДЩ, —это энергия, которую надо сообщить электрону, находящемуся на верхнем энергетическом уровне валентной зоны, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень зоны проводимости. Она измеряется в электрон-вольтах (эВ) и составляет для полупроводников от десятых долей до 2—3 эВ¹. Например, ширина запрещенной зоны германия равна 0,72 эВ, кремния— 1,12 эВ. У германия она уже, так как у него не три, а четыре слоя электронной оболочки, в результате чего валент­ные электроны слабее связаны с ядром. Сравнительно небольшая величина запрещенной зоны у полупроводников служит причиной того, что уже при некотором значении температуры, отличном

от абсолютного нуля, часть электронов получает достаточную энергию для перехода в зону проводимости.

Если дополнительная энергия, сообщаемая валентным элект­ронам, превышает величину AW₃, то они могут переходить с более низких уровней валентной зоны на более высокие уровни зоны проводимости. Таким образом, число свободных электронов при повышении температуры возрастает, электрическая проводи­мость полупроводника увеличивается, а электрическое сопротив­ление уменьшается.

Наличие запрещенной зоны в энергетической диаграмме полупроводника объясняется особым строением его кристалли­ческой решетки, в которой валентные электроны образуют связи между соседними атомами. По этой причине в полупроводниках значительно меньше свободных электронов, чем в металлах, а следовательно, меньше удельная электрическая проводимость.

В диэлектриках, имеющих кристаллическую структуру, подоб­ную полупроводникам, ширина запрещенной зоны значительно больше — до 6—10 эВ (рис. 1.2, в) ; это объясняется более проч­ными связями валентных электронов с атомами в кристалличе­ской решетке. Поэтому в них практически нет свободных электро­нов, а удельная электрическая проводимость ничтожно мала. В связи с этим их используют в качестве электрических изоля­торов. Значительное увеличение электрической проводимости диэлектрика может произойти только при очень большом нагреве или сильном электрическом поле, когда валентные электроны получают большую дополнительную энергию, отрываются от атомов и становятся свободными; наступает пробой диэлектрика.