Полупроводниками являются твердые тела, которые при T = 0K имеют полностью занятую электронами валентную V зону, отделенную от зоны проводимости C сравнительно узкой запрещенной зоной . Своим названием они обязаны тому, что их проводимость меньше электропроводности металлов и больше электропроводности диэлектриков.

Различают собственные и примесные полупроводники . Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники (например, Ge, Se), а их проводимость называется собственной проводимостью .

При T = 0K и отсутствии внешнего возбуждения

собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры электроны с верхних уровней валентной зоны V могут быть переброшены на нижние уровни зоны проводимости C . При наложении на кристалл внешнего электрического поля они перемещаются против поля и создают электрический ток. Проводимость, обусловленная электронами, называется электронной проводимостью или проводимостью n -типа (negative).

В результате переходов электронов в зону проводимости, в валентной зоне возникают вакантные состояния , получившие название дырок (hole, показаны на рисунке белыми кружками). Во внешнем поле на это вакантное место может переместиться соседний валентный электрон, при этом дырка "переместится" на его место. В результате дырка, так же как и перешедший в зону проводимости электрон, будет двигаться по кристаллу, но в направлении противоположном движению электрона. Формально это выглядит так, как если бы по кристаллу двигалась частица с положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами - дырками, называется дырочной проводимостью или p -проводимостью (positive).

В собственных полупроводниках наблюдается, таким образом, электронно-дырочный механизм проводимости.

Примесная проводимость полупроводников.

Проводимость полупроводников , обусловленная примесями (атомы посторонних элементов), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлии) и механическими (трещины, дислокации) дефектами, называется примесной проводимостью , а сами полупроводники - примесными полупроводниками .

Полупроводники называются электронными (или полупроводниками n -типа ) если проводимость в них обеспечивается избыточными электронами примеси, валентность которой на единицу большевалентности основных атомов .

Например, пятивалентная примесь мышьяка (As) в

матрице четырехвалентного германия (Ge) искажает поле решетки, что приводит к появлению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем . В данном случае этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии = 0,013эВ < kT, поэтому уже при обычных температурах тепловая энергия достаточна для переброски электронов с примесного уровня в зону проводимости.

Примеси, являющиеся источниками электронов называются донорами донорными уровнями .

Таким образом, в полупроводниках n -типа (донорная примесь) реализуется электронный механизм проводимости.

Полупроводники называются дырочными (или полупроводниками p -типа ) если проводимость в них обеспечивается дырками, вследствие введения примеси, валентность которой на единицу меньше валентностиосновных атомов .

Например, введение трехвалентной примеси бора (B) в матрицу четырехвалентного германия (Ge) приводит к появлению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня A не занятого электронами. В данном случае этот уровень располагается от верхнего края валентной зоны на расстоянии = 0,08эВ. Электроны из валентной зоны могут переходить на примесный уровень, локализуясь на атомах бора. Образовавшиеся в валентной зоне дырки становятся носителями тока.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами , а энергетические уровни этих примесей - акцепторными уровнями . В полупроводниках p -типа (акцепторная примесь) реализуется дырочный механизм проводимости.

Таким образом, в отличие от собственной проводимости, примесная проводимость обусловлена носителями одного знака.

Фотопроводимость полупроводников.

Фотопроводимость полупроводников - увеличение электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения - может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей.

Собственная фотопроводимость . Если энергия фотонов больше ширины запрещенной зоны (h ν ≥ ΔE ) , электроны могут быть переброшены из валентной зоны в зону проводимости (а), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). Собственная фотопроводимость обусловлена как электронами, так и дырками.

Примесная фотопроводимость . Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать и при h ν < ΔE : при донорной примеси фотон должен обладать энергией h ν ≥ Δ , при акцепторной примеси h ν ≥ Δ . При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n -типа (рис.(б)) или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника p -типа (рис.(в)).

Примесная фотопроводимость для полупроводников n -типа - чисто электронная , для полупроводников p -типа - чисто дырочная .

Таким образом, если h ν ≥ ΔE для собственных полупроводников, и h ν ≥ Δ для примесных полупроводников, то в полупроводнике возбуждается фотопроводимость (здесь Δ - энергия активации примесных атомов).

Отсюда можно определить красную границу фотопроводимости – максимальную длину волны, при которой еще фотопроводимость возбуждается: для собственных и примесных полупроводников, соответственно.

Наряду с поглощением, приводящим к появлению фотопроводимости, может иметь место поглощение света с образованием экситонов , которое не приводит к фотопроводимости. Экситон – это квазичастица, представляющая собой связанную пару электрон–дырка, которая может свободно перемещаться в кристалле. Экситоны возбуждаются фотонами с энергиями меньшими энергии запрещенной зоны и могут быть наглядно представлены в виде модели спаренных электрона (e) и дырки (h) , движущихся вокруг общего центра масс, которым не хватило энергии, чтобы оторваться друг от друга (так называемый экситон Ванье–Мотта ). В целом экситон электрически нейтрален, поэтому экситонное поглощение света не приводит к увеличению фотопроводимости.

Люминесценция твердых тел.

Люминесценцией называется излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела и имеющее длительность, бóльшую периода световых колебаний.

Вещества, способные под действием различного рода возбуждений светиться, называются люминофорами .

В зависимости от способов возбуждения различают: фотолюминесцен-цию (под действием света), рентгенолюминесценцию (под действием рентгеновского излучения), катодолюминесценцию (под действием электронов), радиолюминесценцию (при возбуждении ядерным излучением, например γ -излучением, нейтронами, протонами), хемилюминесценцию (при химических превращениях), триболюминесценцию (при растирании или раскалывании некоторых кристаллов).

По длительности свечения условно различают: флуоресценцию (t ≤ с) и фосфоресценцию - свечение, продолжающееся заметный промежуток времени после прекращения возбуждения.

Уже в первых количественных исследованиях люминесценции было сформулировано правило Стокса : длина волны люминесцентного излучения всегда больше длины волны света, возбудившего его.

Твердые тела, представляющие собой эффективно люминесцирующие искусственно приготовленные кристаллы с чужеродными примесями, получили название кристаллофосфоров .

На примере кристаллофосфоров рассмотрим механизмы возникновения фосфоресценции с точки зрения зонной теории твердых тел. Между валентной зоной и зоной проводимости кристаллофосфора располагаются примесные уровни активатора A . Для возникновения длительного свечения кристаллофосфор должен содержать центры захвата, или ловушки для электронов (, ). Длительность процесса миграции электрона до момента рекомбинации его с ионом активатора определяется временем пребывания электронов в ловушках.

Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n- переход).

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой - дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или p-n- переходом ).

p-n- Переход обычно создается при специальной обработке кристаллов, например, при выдержке плотно прижатых кристаллов германия (n -типа) и индия при 500°С в вакууме (а) атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий, образуя промежуточный слой германия, обогащенного индием, проводимость которого p -типа (б).

Электроны из n -полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в p -полупроводник. Диффузия дырок происходит в обратном направлении. В n -полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В p -полупроводнике из-за

Ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов. Эти объемные заряды создают запирающий равновесный контактный слой , препятствующий дальнейшему переходу электронов и дырок.

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если направление внешнего поля

Совпадает с направлением поля контактного слоя (а), то запирающий слой расширяется и его сопротивление возрастает - такое направление называется запирающим (обратным). Если направление внешнего поля противоположно полю контактного слоя (б), то перемещение электронов и дырок приведет к сужению контактного слоя и его сопротивление уменьшится - такое направление называется пропускным (прямым) .

Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы).

Односторонняя (вентильная) проводимость p-n- перехода используется в полупроводниковых диодах , содержащих один p-n- переход. По конструкции они делятся на точечные и плоскостные .

В точечных диодах p-n- переход образуется в точке касания металлического контакта 1 и полупроводника 2 (например, в точечном германиевом диоде диффузия алюминия в n- германий образует в германии p- слой). Технология изготовления германиевого плоскостного диода описана выше.

p-n- Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерации электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов . Изобретение транзисторов в 1949г. считается самым значительным изобретением ХХ века и было отмечено в 1956 году Нобелевской премией.

Транзисторы могут быть типа n-p-n и типа p-n-p в зависимости от

чередования областей с различной проводимостью. Для примера рассмотрим триод типа p-n-p . Рабочие "электроды" триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов - металлических проводников. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором - постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивление , а усиленное - снимается с выходного сопротивления .

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их "впрыскиванием" - инжекцией - в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), вследствие чего изменяется ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении - переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств p-n- переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи . Обычно , поэтому (усиление может достигать 10 000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в , может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзистор дает и усиление мощности .

Собственная проводимость полупроводников

В полупроводниках основная зона разделена с зоной возбужденных уровней конечным интервалом энергий ($\triangle E$). Основную зону полупроводника называют валентной зоной, зону возбужденных состояний -- зоной проводимости. При T=0 К валентная зона заполнена целиком, при этом зона проводимости свободна. Следовательно, вблизи абсолютного нуля полупроводники не проводят ток. Вообще говоря, диэлектрики и полупроводники отличаются с точки зрения зонной теории, только шириной запрещенной зоны ($\triangle E$). Условно к диэлектрикам относят полупроводники у которых $\triangle E>2эВ.$

Примечание 1

У полупроводников с повышением температуры электроны обмениваются энергией с ионами кристаллической решетки. Из-за этого электрон может обрести добавочную кинетическую энергию размера $\approx kT.\ $Этой энергии может хватить для того, чтобы некоторую часть электронов перевести в зону проводимости. Эти электроны в зоне проводимости проводят ток.

В валентной зоне освобождаются квантовые состояния, которые не заняты электронами. Такие состояния получили названия дырок. Дырки являются носителями тока. Электроны могут рекомбинировать с дырками (совершать квантовые переходы в незаполненные состояния, то есть дырки). Прежние заполненные состояния в этом случае освобождаются, то есть становятся дырками. Последние рекомбинируют с новыми электронами, вновь образуются дырки. В результате этих процессов устанавливается равновесная концентрация дырок, эта концентрация одинакова по всему объему проводника, если нет внешнего поля. Квантовый переход электрона сопровождается его перемещением против поля. Он уменьшает потенциальную энергию системы. Переход, связанный с перемещение в направлении поля увеличивает потенциальную энергию системы. Переходы против поля преобладают над переходами по полю, что значит, через полупроводник начнет течь ток в направлении приложенного электрического поля. В незамкнутом полупроводнике ток будет течь, пока электрическое поле не будет компенсировать внешнее поле. Конечный результат явления такой же, как если бы носителями тока были не электроны, а положительно заряженные дырки. Следовательно, различают электронную и дырочную проводимость полупроводников.

Истинными носителями тока в металлах и полупроводниках реальны электроны, дырки введены формально. Дырок, как реально существующих положительно заряженных частиц не существует. Однако, оказалось, что в электрическом поле дырки перемещаются так, как двигались бы при классическом рассмотрении положительно заряженные частицы. Из-за небольшой концентрации электронов в зоне проводимости, дырок в валентной зоне можно применять классическую статистику Больцмана.

Примечание 2

Проводимость полупроводников, и электронная, и дырочная не связана с наличием примесей. Она называется собственной электропроводностью полупроводников.

В идеально чистом полупроводнике без всяких примесей каждому освобожденному тепловым движением или светом электрону соответствовало бы образование одной дырки, то есть количество электронов и дырок, которые участвуют в создании тока, было бы одинаково.

Идеально чистые полупроводники в природе не существуют, изготовить из искусственно крайне сложно. Малые следы примесей качественным образом изменяют свойства полупроводников.

Примесная проводимость полупроводников

Электрическая проводимость полупроводников, которая вызвана наличием примесей атомов других химических элементов, называется примесной электрической проводимостью. Самые небольшие количества примесей могу существенно увеличивать проводимость полупроводников. В металлах, наблюдается обратное явление. Примеси всегда уменьшают проводимость металлов.

Увеличение проводимости при наличии примесей объясняют тем, что в полупроводниках появляются дополнительные энергетические уровни, которые находятся в запрещенной зоне полупроводника.

Донорные примеси

Пусть дополнительные уровни в запрещенной зоне появились около нижнего края зоны проводимости. В том случае, если интервал энергии, который отделяет дополнительные уровни энергии от зоны проводимости, мал в сравнении с шириной запрещенной зоны, то число электронов в зоне проводимости, следовательно, сама проводимость полупроводника увеличится. Примеси, которые поставляют электроны в зону проводимости, называют донорами (донорными примесями). Дополнительные энергоуровни, при этом, называют донорными уровнями.

Полупроводники, имеющие донорные примеси называют электронными (полупроводниками n-типа).

Акцепторные примеси

Пусть с введением примеси добавочные уровни возникают около верхнего края валентной зоны. В этом случае электроны из валентной зоны переходят на эти добавочные уровни. В валентной зоне при этом появляются дырки, так возникает дырочная электропроводность полупроводника. Такие примеси называют акцепторами (акцепторными примесями). Дополнительные уровни при этом называют акцепторными уровнями.

Полупроводники, имеющие акцепторные примеси называют дырочными (полупроводниками p-типа). Могут существовать смешанные полупроводники.

Каким видом проводимости обладает полупроводник (электронной или дырочной) судят по знаку эффекта Холла.

Процесс введения примесей называется легированием. При очень больших концентрациях примесных уровней может наблюдаться расщепление примесных уровней, в результате чего они могут перекрыть границы соответствующих энергетических зон.

Пример 1

Задание: Объясните, каким типом примеси могут служить атомы мышьяка, атомы бора в кристаллической решетке кремния?

Рассмотрим кремний и мышьяк. Кремний -- четырехвалентный атом, следовательно, атом кремния имеет четыре электрона. Мышьяк пятивалентен, значит, его атом содержит пять электронов. Пятый электрон может отщепиться от атома мышьяка из-за теплового движения. Положительный ион мышьяка может вытеснить из решетки один из атомов кремния, встав не его место. Так, между узлами решетки появится электрон проводимости. Следовательно, получается, что мышьяк является донорной примесью для кремния.

Рассмотрим бор, как примесь к кремнию. Наружная оболочка атома бора имеет три электрона. Атом бора может захватить недостающий четвертый электрон, из какого -- либо соседнего с ним места кристалла кремния. В этом месте появляется дырка, а появившийся отрицательный ион бора может вытеснить из кристаллической решетки атом кремния и занять его место. В кристалле кремния возникает дырочная проводимость. Бор -- акцепторная примесь.

Ответ: Мышьяк -- донорная примесь в решетке кремния, бор -- акцепторная примесь для кремния.

Пример 2

Задание: В термоэлементах в одних случаях ток в горячем спае течет от металла к полупроводнику, а в других от полупроводника к металлу, объясните, почему?

Именно различие между электронной и дырочной проводимостью полупроводников объяснятся процесс, описанный в условии задания.

В электронном полупроводнике скорость электронов в горячем конце больше, чем в холодном. Следовательно, электроны просачиваются (диффундируют) от горячего конца к холодному до тех пор, пока возникающее из-за перераспределения зарядов электрическое поле не останавливает поток диффундирующих электронов. После установления равновесия горячий конец, который потерял электроны, имеет положительный заряд, холодный конец, получил избыток электронов, следовательно, имеет отрицательный заряд. Значит, между горячим и холодным концами появляется разность потенциалов (положительная).

В дырочном полупроводнике происходит обратный процесс. Диффузия дырок проходит от горячего конца к холодному. При этом горячий конец получает отрицательный заряд, холодный конец заряжается положительно. Знак разности потенциалов между горячим и холодным концами отрицательный.

Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется некоторое число носителей тока — электронов, занимающих уровни вблизи дна зоны, одновременно в валентной зоне освобождается такое же число мест на верхних уровнях, в результате чего появляются дырки

Распределение электронов по уровням валентной зоны и зоны проводимости описываются функцией Ферми-Дирака. Это распределение можно сделать очень наглядным, изобразив, как это сделано на рис. график функции распределения совместно со схемой энергетических зон.

Соответствующий расчет дает, что у собственных полупроводников отсчитанное от потолка валентной зоны значение уровня Ферми равно

Где DE — ширина запрещенной зоны, а M Д* и M Э* — эффективные массы дырки и электрона, находящегося в зоне проводимости. Обычно второе слагаемое пренебрежимо мало, и можно полагать . Это означает, что уровень Ферми лежит посредине запрещенной зоны, Следовательно, для электронов, перешедших в зону проводимости, величина E — EF мало отличается от половины ширины запрещенной зоны. Уровни зоны проводимости лежат на хвосте кривой распределения. Поэтому вероятность их заполнения электронами можно находить по формуле (1.23) предыдущего параграфа. Положив в этой формуле , получим, что

.

Количество электронов, перешедших в зону проводимости, а следовательно и количество образовавшихся дырок, будет пропорционально вероятности. Эти электроны и дырки являются носителями тока. Поскольку проводимость пропорциональна числу носителей, она также должна быть пропорциональна выражению. Следовательно, электропроводность собственных полупроводников быстро растет с температурой, изменяясь по закону

,

Где D E — ширина запрещенной зоны, S0 — величина, изменяющаяся с температурой гораздо медленнее, чем экспонента, в связи с чем ее можно в первом приближении считать константой.

Если на графике откладывать зависимость ln S От T , то для собственных полупроводников получается прямая линия, изображен­ная на рис.4. По наклону этой прямой можно определить ширину запрещенной зоны D E.

Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева — германий и кремний. Они образуют решетку типа алмаза, в которой каждый атом связан ковалентными (парно-электронными) связями с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. Условно такое взаимное расположение атомов можно представить в виде плоской структуры, изображенной на рис. 5. Кружки со знаком обозначают положительно заряженные атомные остатки (т. е. ту часть атома, которая остается после удаления валентных электронов), кружки со знаком — валентные электроны, двойные линии — ковалентные связи.

При достаточно высокой температуре тепловое движение может разорвать отдельные пары, освободив один электрон. Покинутое электроном место перестает быть нейтральным, в его окрестности возникает избыточный положительный заряд , т. е. образу­ется дырка (на рис.5 она изображена пунктирным кружком). На это место может перескочить электрон одной из соседних пар. В результате дырка начинает также странствовать по кристаллу, как и освободившийся электрон.

При встрече свободного электрона с дыркой они Рекомбинируют (соединяются). Это означает, что электрон нейтрализует избыточный положительный заряд, имеющийся в окрестности дырки, и теряет свободу передвижения до тех пор, пока снова не получит от кристаллической решетки энергию, достаточную для своего высвобождения. Рекомбинация приводит к одновременному исчезновению свободного электрона и дырки. На схеме уровней процессу рекомбинации соответствует переход электрона из зоны проводимости на один из свободных уровней валентной зоны.

Итак, в собственном полупроводнике идут одновременно два процесса: рождение попарно свободных электронов и дырок и рекомбинация, приводящая к попарному исчезновению электронов и дырок. Вероятность первого процесса быстро растет с температурой. Вероятность рекомбинации пропорциональна как числу свободных электронов, так и числу дырок. Следовательно, каждой температуре соответствует определенная равновесная концентрация электронов и дырок, которая изменяется с температурой пропорционально выражению.

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электронов против поля и дырок — в направлении поля. Оба движения — и дырок, и электронов — приводит к переносу заряда вдоль кристалла. Следовательно, собственная электропроводность обусловливается как бы носителями заряда двух знаков — отрицательными электронами и положительными дырками.

Отметим, что при достаточно высокой температуре собственная проводимость наблюдается во всех без исключения полупроводниках. Однако в полупроводниках, содержащих примесь, электропроводность слагается из собственной и примесной проводимостей.

Собственная проводимость

Рассмотрим квантовую теорию проводимости различных веществ. Напомним, что проводимостью называется способность носителей заряда осуществлять направленное движение согласно приложенному электрическому полю (носителей отрицательного заряда против поля, положительного заряда – по полю). В случае полупроводниковых веществ возможны два типа проводимости в зависимости от чистоты химического состава вещества.

Различают собственные и примесные полупроводники. К числу собственных относятся химически чистые полупроводники, то есть такие полупроводники, в состав которых входят атомы (или молекулы) только одного вида и отсутствуют посторонние включения. В таких полупроводниках наблюдают только собственную проводимость .

Собственная проводимость возникает при переходе электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости в случае получения им дополнительной достаточной энергии, которая равна (или несколько больше) ширине запрещенной зоны E g . Данную энергию, как уже говорилось в лекции 9, электрон может получить в результате тепловых колебаний решетки или под действием кванта света hν .

Рис. 12.1. Собственная проводимость полупроводника

Так как энергия тепловых колебаний, как правило, значительно меньше энергии кванта света, то какая именно энергия спровоцирует появление проводимости, зависит от ширины запрещенной зоны кристалла. Переход электрона в зону проводимости соответствует рождению двух свободных частиц : электрона, энергия которого оказывается равной одному из разрешенных значений из зоны проводимости, а также дырки, энергия которой равна одному из значений валентной зоны. Эти частицы являются носителями тока, причем вклад в проводимость вносят как электроны, так и дырки. Если приложить разность потенциалов к такому кристаллу, и электроны и дырки смогут двигаться вдоль всего образца. Это явление уже рассмотрено во второй лекции, оно называется внутренним фотоэффектом.

Можно найти электропроводность данного вещества. Для этого воспользуемся распределением электронов и дырок по энергиям (см. раздел 10). Так как электроны и дырки являются фермионами, т.е. частицами с полуцелым спином, это означает, что они подчиняются статистике Ферми-Дирака:

(12.1)

Параметр E F носит название энергии Ферми . Уровень Ферми – это виртуальный уровень, который соответствует середине между всеми занятыми и всеми свободными состояниями при условии, что тех и других имеется одинаковое количество. В идеале все свободные уровни располагаются выше уровня Ферми, все занятые – ниже. Однако в реальных кристаллах свободный уровень может оказаться ниже уровня Ферми, если выше уровня Ферми найдется занятый электроном уровень. Для металлов уровень Ферми находится в зоне проводимости. Для собственных (т.е. чистых) полупроводников энергия Ферми при комнатной температуре соответствует приблизительно середине запрещенной зоны, следовательно:

(12.2)

где E g – ширина запрещенной зоны.

Количество электронов, перешедших в зону проводимости (равно как и дырок, оставшихся в валентной зоне), будет пропорционально вероятности того, что электрон обладает соответствующей энергией:

Проводимость, очевидно, зависит от числа свободных носителей тока, то есть оказывается также пропорциональна функции f(E) :

(12.4)

или (12.5)

Видно, что электропроводность собственных полупроводников экспоненциально растет с температурой (рис. 12.2). Измерив электропроводность полупроводника при различных температурах, можно определить ширину запрещенной зоны. В полулогарифмических координатах (как на рис. 12.2) тангенс угла наклона прямой будет пропорционален E g .

Рис. 12.2. Зависимость электропроводности

собственного полупроводника от температуры

Напомним, что электропроводность металлов линейно уменьшается с ростом температуры. Такое отличие объясняется тем, что природа проводимости в полупроводниках и металлах принципиально различна.

Примесная проводимость

Электрические и оптические свойства примесных полупроводников зависят от природных или искусственно введенных примесей. Разумеется, для эффективного управления свойствами материала необходим строгий контроль количества примеси в составе вещества, такое контролируемое введение примеси называется легированием . Создание заданной концентрации примеси – довольно сложная, но выполнимая задача. Следует понимать, что в составе некоторых веществ неизбежно присутствует какое-то количество природной примеси. В таких случаях ее влияние на оптические и электрические свойства материала необходимо изучать и впоследствии учитывать.

Рассмотрим механизм примесной проводимости на примере классических полупроводников Ge , и Si . Оба элемента являются четырехвалентными, а атомы в кристалле связаны ковалентными силами. Это означает, что каждый атом в решетке окружен четырьмя такими же атомами и связан с ними, имея общую пару электронов.

Рис. 12.3. Сведенное в плоскость изображение кристаллической решетки

идеального 4-валентного кристалла

Если кристалл идеальный, то все связи вокруг атома являются насыщенными – не имеющими свободных мест, а свободных электронов в пространстве между атомами нет (рис. 12.3).

Предположим, что в кристалл вместо одного из основных атомов попал атом, валентность которого на единицу больше (атом фосфора P в кристалле Ge ). 4 из 5 электронов фосфора распределятся между соседними атомами германия, а пятый электрон будет держаться рядом за счет довольно слабой связи (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Сведенное в плоскость изображение кристаллической решетки

Ge с 5-валентной примесью фосфора

Эту связь легко нарушить нагреванием кристалла или при его освещении. Оторванный электрон будет свободным и при подаче разности потенциалов сможет двигаться в соответствующую сторону. Примесь, которая добавляет в кристалл свободные электроны, называется донорной .

На энергетической схеме донорной примеси будет соответствовать уровень, расположенный на некотором расстоянии от дна зоны проводимости. Расстояние между уровнем примеси и зоной проводимости пропорционально энергии E примес , которая необходима для отрыва примесного электрона от материнского атома, т.е. для перевода электрона в свободное состояние (рис. 12.6 а). Факт отрыва электрон от своего атома и перехода его в свободное состояние означает переход электрона в зону проводимости. Донорный уровень, освободившийся при этом, впоследствии может на какое-то время захватить любой свободный электрон – то есть оборванная связь фосфора может служить кратковременным хранилищем электронов.

Итак, в результате получаем электрон проводимости, и в отличие от собственной проводимости (см. выше), свободная дырка не образуется. В регистрируемый ток в этом случае вклад будут вносить преимущественно электроны, которые являются в таком полупроводнике основными носителями заряда, а дырки – неосновными. Тип проводимости в таком кристалле называется электронным или n -типа, и сам кристалл получает статус кристалла с электронной проводимостью или кристалл n -типа.

Если же в четырехвалентный кристалл ввести трехвалентную примесь, то одна из четырех связей атома, расположенного рядом с примесью, будет ненасыщенной из-за отсутствия 4-го электрона (рис. 12.5). Такое вакантное место (дырка) легко захватывает электрон из соседнего узла – это соответствует переходу дырки в свободное состояние.

Рис. 12.5. Сведенное в плоскость изображение кристаллической решетки

Si с 3-валентной примесью бора

При подаче на кристалл разности потенциалов дырка перемещается так же как электрон проводимости, только в противоположную сторону. Таким образом, кристалл с примесью указанного типа будет иметь дырочный тип проводимости или называться кристаллом p -типа. На энергетической схеме появление примеси, которая в данном случае называется акцепторной , отразится возникновением уровня в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны выше на E примес . На этот уровень будет захватываться электрон с занятого уровня в валентной зоне, в которой при этом будет оставаться свободная дырка (рис. 12.6 б).

Рис. 12.6. Примесная проводимость: а) электронная, б) дырочная

Очевидно, что в кристаллах с p-типом проводимости свободными являются только дырки, свободных электронов не появляется без дополнительно сообщенной энергии. Дырки являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными. Следовательно, ток будет представлять собой упорядоченное движение преимущественно дырок (направление их движения совпадает с направлением тока).

Специфика донорной и акцепторной примесей такова, что их уровни на энергетической схеме могут располагаться относительно зон только определенным образом: донорные примеси дают уровни в верхней части запрещенной зоны, акцепторные – в нижней. Появление примеси в составе кристалла приводит к изменению положения уровня Ферми (см. выше).

В частности для кристалла с донорной примесью уровень E F поднимается вверх, для кристалла с акцепторной примесью – сдвигается вниз (рис. 12.6). Уровень Ферми является важной характеристикой полупроводника, в частности без использования этого понятия не обходится теория p-n переходов.

Добавим, что при получении кристалла с примесной проводимостью в качестве вводимой примеси можно использовать атомы и других валентностей. Тогда разница валентностей показывает, сколько свободных носителей заряда (электронов или дырок) вносит в кристалл каждый атом примеси.

Для получения высоких показателей электропроводности материала необходимо наличие в образце высокой концентрации носителей заряда (количества носителей заряда на единицу объема кристалла). Этого добиваются путем контролируемого введения примеси требуемого типа. Современные технологии позволяют учитывать количество введенных атомов буквально поштучно. Измерить концентрацию носителей заряда, а также определить их тип (электрон или дырка) можно с помощью эффекта Холла (см. курс электромагнетизма).

В общем случае проводимость полупроводникового материала складывается из собственной и примесной проводимости:

(12.6)

Примесная проводимость имеет также, как и собственная, экспоненциальную зависимость от температуры.

(12.7)

При низких сравнительно температурах основную роль играет примесная проводимость (рис.12.7 участок I). По наклону прямой зависимости проводимости от температуры в полулогарифмических координатах можно определить энергию активации примеси E примес , т.к. tgα прим пропорционален глубине залегания уровня примеси в запрещенной зоне.

При повышении температуры, когда все атомы примеси уже задействованы, в некотором интервале температур проводимость остается постоянной (рис.12.7 участок II).

Рис. 12.7. Зависимость электропроводности полупроводника от температуры

Начиная с температуры активации собственной проводимости, опять наблюдается снижение сопротивления материала (рис.12.7 участок III). Тангенс угла наклона соответствующего участка tgα соб пропорционален энергии активации собственной проводимости полупроводника, т.е. ширине его запрещенной зоны.

Проводимость полупроводников, обусловленная основными носителями

Описание

При T= 0 K все собственные электроны полупроводника находятся в валентной зоне, целиком заполняя её (рис. 1).

Энергетическое распределение электронов в валентной зоне при нулевой температуре

Рис. 1

С повышением температуры тепловое движение "выбрасывает" в зону проводимости электроны из валентной зоны, при этом в валентной зоне остаются "пустые" состояния, которые называются дырками (рис. 2).

Энергетическое распределение электронов в валентной зоне и зоне проводимости при ненулевой температуре

Рис. 2

Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением под действием электрического поля одинакового числа свободных электронов и дырок, образовавшихся вследствие перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике при собственной проводимости концентрации электронов (n i ) и дырок (p i ) равны и много меньше числа уровней в валентной зоне и зоне проводимости. Поэтому свободные электроны занимают уровни вблизи дна зоны проводимости E c , а свободные дырки - вблизи потолка валентной зоны E v (рис. 1). При этом:

n i = p i = A exp(- D E/2kT) , (1)

где A= 4,82Ч 1015 T 3/2 (m n * m p * /m 2 ) 3/4 ;

m n * , m p * - эффективные массы электрона и дырки;

m - масса электрона;

k - постоянная Больцмана;

D E - ширина запрещенной зоны полупроводника;

T - абсолютная температура (дыркам приписывается эффективная масса m p , равная по абсолютной величине эффективной массе того электрона, который занял бы это валентное состояние, но с противоположным знаком; эффективная масса электрона в валентной зоне вблизи E v отрицательна).

В общем случае эффективная масса зависит от направления движения носителя, что отражает анизотропию кристалла.

Для образования пары электрон-дырка, т.е. для возникновения собственной проводимости необходимо, чтобы температура полупроводника была отлична от нуля.

Для Ge , например (D E= 0,785 эВ), при Т= 300 К n i =p i @ 2,5Ч 1019 м-3 .

Величина собственной проводимости:

, (2)

где m n , m p - подвижности электронов и дырок, связанные с временем их свободного пробега (t n , t p ):

m n = e t n /m n * , ... m p = e t p /m p * .

При Т= 300 К

s = 2,1 Ом-1 м-1 для Ge (m n = 0,37 м2 /ВЧ с; m p = 0,18 м2 /ВЧ с);

s = 2Ч 10-4 1Ом-1 м-1 для Si (m n = 0,17 м2 /ВЧ с; m p = 0,025 м2 /ВЧ с).

Собственная проводимость наблюдается только в очень чистых (без примесей) и совершенных (без дефектов) полупроводниках, в основном при достаточно высоких температурах.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до 2);

Время существования (log tc от -3 до 15);

Время деградации (log td от -3 до 2);

Время оптимального проявления (log tk от -1 до 1).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Термистор

Техническая реализация - термистор (терморезистор). В среде с температурой T находится образец собственного полупроводника, например, Ge . Измеряя зависимость проводимости образца от температуры, убеждаемся, что при охлаждении проводимось уменьшается. Если построить эту зависимость в логарифмических координатах, то видно, что она стремится к нулю при абсолютном нуле температуры.

Применение эффекта

Использующие явление собственной проводимости термисторы используются как датчики температуры. Принцип действия такого датчика основан на изменении тока в цепи датчика при нагреве вследствие явления собственной проводимости: J датчика = s (T )Ч E , где E - поле внутри полупроводника.

Литература

1. Физический энциклопедический словарь.- М., 1982.

2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов.- М.: Мир, 1984.

Ключевые слова

• полупроводник
• электрон
• дырка
• свободный носитель заряда
• эффективная масса
• подвижность
• концентрация носителей
• энергетические зоны
• температурная зависимость
• проводимость

Разделы естественных наук: