ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8133
Скачиваний: 20
11
Атомы примеси могут по-разному располагаться в решетке
полупроводника. В полупроводнике примесные атомы замещают
основные атомы в узлах решетки.
Результаты такого замещения зависят от типа примеси. Если
ввести в германий атом пятивалентной сурьмы, то четыре из его
валентных электронов вступят в связь с четырьмя электронами
соседних атомов германия (рис. 1.5, а) и образуют устойчивую
оболочку из восьми электронов. Девятый электрон в этой комби-
нации оказывается слабо связанным с ядром, легко отрывается
фононами с энергией 10
–2
эВ и делается свободным.
Примесный атом превращается в неподвижный ион с по-
ложительным единичным зарядом. Нельзя путать ион с дыр-
кой, т. к. ион неподвижен и не может изменить проводимость
полупроводникового материала. Свободные электроны при-
месного происхождения добавляются к собственным свободным
электронам, порожденным термогенерацией, и если число при-
месных атомов значительно превышает количество свободных
электронов, проводимость полупроводника делается преимуще-
ственно электронной. Такие полупроводники называются элек-
тронными или типа n, а соответствующие примеси — донора-
ми, «отдающими» электроны.
Если ввести в германий атом трехвалентного индия, резуль-
тат будет другим. Для валентной связи атома индия с четырьмя
соседними атомами германия требуется образование устойчивой
восьмиэлектронной оболочки, т. е. нужен дополнительный элек-
трон. Этот электрон отбирается из основной решетки (рис. 1.5, б)
и, будучи связанным, превращает атом индия в неподвижный
отрицательный ион.
На том месте, откуда пришел электрон, образуется свобод-
ная дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порож-
денным термогенерацией.
Полупроводники, в которых число дырок превышает коли-
чество электронов, т. е. имеющие преимущественно дырочную
проводимость, называются дырочными или типа р, а соответ-
ствующие примеси — акцепторными «принимающими» элек-
троны.
12
Рис. 1.5 — Замещение примесными атомами основных атомов в решетке:
а — донорная примесь (образуются свободный электрон и неподвижный
положительный ион), б — акцепторная примесь (образуются свободная
дырка и неподвижный отрицательный ион)
Sb
V
Свободный
электрон
+ Ион
In
111
Связанный
электрон
- Ион
Свободная
дырка
а)
б)
а
б
13
Отрыв «лишнего» электрона от донора и «недостающего»
электрона для акцептора требует затраты некоторой энергии
(энергия ионизации или активации примеси). При нулевой тем-
пературе (Т = 0° К) ионизация не может иметь места, и проводи-
мость равна нулю. С ростом температуры все большая часть
примесных атомов ионизирует. При относительно не высоких
температурах все атомы примесей оказываются ионизированны-
ми, и дальнейшее увеличение температуры приводит к увеличе-
нию только собственных электронов и дырок, что приводит
к увеличению собственной проводимости.
В примесных полупроводниках количество одного типа по-
движных зарядов значительно больше другого. Носители по-
движного заряда, которые составляют большинство, называют
основными, а те, которые составляют меньшинство, — неоснов-
ными. Таким образом, основными носителями могут быть как
электроны, так и дырки.
Так, в полупроводнике p типа основные носители — дырки,
неосновные — электроны.
1.3
Энергетические
зоны
твердого
тела
Количественный анализ полупроводников и полупроводни-
ковых приборов базируется на зонной теории твердого тела.
В невозбужденном состоянии атома его верхние уровни все-
гда свободны. Твердое тело представляет собой множество ато-
мов, сильно взаимодействующих благодаря малым межатомным
расстояниям. Поэтому всю совокупность атомов в некотором
объеме твердого тела следует рассматривать как единое целое,
как гигантскую молекулу, которая подобно атому характеризует-
ся некоторым единым для всего тела энергетическим спектром.
Для кристалла с межатомным расстоянием
o
d получается
зонная диаграмма, показанная на рис. 1.6, в которой разрешенные
зоны чередуются с запрещенной зоной. Ширина тех и других
обычно не превышает нескольких электрон-вольт и не зависит
от числа атомов в твердом теле, т. е. от его размеров. Строго го-
воря, разрешенные зоны имеют дискретную структуру и состоят
из стольких уровней, сколько атомов имеется в данном теле.
14
Количество атомов даже в микроскопических объемах
настолько велико, что энергетические расстояния между уровня-
ми зоны в реальных случаях чрезвычайно малы, т. е. разрешен-
ные зоны практически можно считать сплошными. Энергетиче-
ские «расстояния» между разрешенными зонами (т. е. ширина за-
прещенных зон) определяются энергией связи электронов с ато-
мами решетки. Граничные энергетические уровни, образующие
«дно» и «потолок» каждой разрешенной зоны, соответствуют по-
тенциальной энергии электронов, их неподвижному состоянию.
Любой уровень, расположенный внутри разрешённой зоны,
соответствует сумме потенциальной и кинетической энергий.
Иначе говоря, кинетическая энергия электронов возрастает
по мере удаления от границы в глубь зоны и достигает мак-
симума в ее средней части. Проводимость в твердом теле воз-
можна лишь тогда, когда происходит переход электрона на дру-
гой энергетический уровень. Значит, в проводимости могут
участвовать электроны только тех зон, в которых есть свободные
уровни. Такие свободные уровни всегда имеются в верхней раз-
решенной зоне. Верхнюю разрешенную зону твёрдого тела,
не заполненную (или не полностью заполненную) электронами при
нулевой абсолютной температуре, называют зоной проводимости,
а ближайшую к ней разрешенную зону называют валентной.
При температуре абсолютного нуля валентная зона полно-
стью заполнена, и, следовательно, электроны этой зоны не влияют
на проводимость. Но при температуре, отличной от нуля, в верх-
ней части валентной зоны образуются свободные уровни, и эта зо-
на также может обусловить проводимость. Следовательно, все ос-
новные процессы в полупроводниковых материалах и приборах
можно изучить, анализируя процессы, которые протекают между
двумя смежными зонами: зоной проводимости и валентной.
Зонная структура твердого тела лежит в основе классифика-
ции металлов, полупроводников и диэлектриков (рис. 1.6).
У металлов, как видно из рис. 1.6, зона проводимости и ва-
лентная зона взаимно перекрываются, поэтому даже при темпе-
ратуре абсолютного нуля в зоне проводимости находится значи-
тельное количество электронов и, следовательно, имеет место
проводимость. У полупроводников и диэлектриков при T = 0
0
K
зона проводимости пуста и проводимость отсутствует; в этом их
15
качественное отличие от металлов. Различия же между полупро-
водниками и диэлектриками в основном количественные и обу-
словлены значительно большей шириной запрещенной зоны
у диэлектриков. Поскольку зона проводимости практически
сплошная, энергия электронов в этой зоне может меняться непре-
рывно, как у изолированных электронов в вакууме, поэтому элек-
троны в зоне проводимости называются свободными. Термин
«свободный» характеризует возможность перемещения электрона
внутри твердого тела, но не возможность его вылета за пределы
кристалла.
Металл
Полупроводник
Диэлектрик
Валентная
зона
Валентная
зона
Запрещен.
зона
Запрещен.
зона
а
б
в
Валентная
зона
Зона
проводимости
Зона
проводимости
Зона
проводимости
Рис. 1.6 — Зонная структура при Т = 0° К:
а — металла; б — полупроводника; в — диэлектрика
Совокупность электронов в твердом теле можно уподобить
электронному газу, который заключен в «сосуд», образованный
внешними гранями кристалла. Такое сравнение является чисто
условным, т. к. характеристики электронов в вакууме и в твердом
теле принципиально отличаются, например, дрейфовые скорости
электронов при одной и той же напряженности электрического
поля в вакууме и твердом теле существенно отличаются.