Структура полупроводников. Зонная модель и модель ковалентной связи

Основы физики полупроводников

Сухова В.Ф.

С 91

В.Ф. Сухова, Д.А. Борисов

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Учебно-методическое пособие

для студентов очного и заочного обучения

специальности 162107 «Техническая эксплуатация транспортного оборудования»

Нижний Новгород

Издательство ФБОУ ВПО «ВГАВТ»

УДК 681.5

Физика полупроводников: учебн.-метод. пособие для студ. оч. и заоч. обуч. специальности 162107 «Техническая эксплуатация транспортного оборудования»/ В.Ф. Сухова, Д.А. Борисов. – Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. – 58 с.

В пособии рассматриваются основы физики полупроводников, а также теория электронно-дырочного перехода – контакта на границе двух полупроводников с различным типом проводимости. Приводится подробное описание лабораторных стендов и методика выполнения лабораторных работ.

Для студентов, изучающих дисциплину «Физические основы электроники».

Рекомендовано к изданию кафедрой радиоэлектроники (протокол № 8 от 27.04.2012г.)

© ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012

Полупроводники кремний и германий являются монокристаллическими веществами или твердыми телами. Они состоят из атомов, которые пространственно упорядочены и образуют трехмерную периодическую структуру, называемую кристаллической решеткой.

Кристаллическая решетка кремния и германия называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза. Элементарной ячейкой такой решетки является тетраэдр – пространственная фигура, имеющая четыре треугольные грани. В вершинах тетраэдра и в его центре расположены атомы. Центральный атом находится на одинаковом расстоянии от четырех других, расположенных в вершинах, а каждый атом, находящийся в вершине является центральным для других четырех ближайших атомов. Расстояние между атомами в такой кристаллической решетке порядка 0,54 нм.

Германий и кремний являются элементами четвертой группы Периодической системы. Их атомы содержат соответственно 32 и 14 электронов на своих оболочках, четыре из которых, называемых валентными, участвуют в химических реакциях.

При очень близком расположении атомов германия и кремния (0,54 нм) у них проявляется тенденция образовывать общую восьмиэлектронную оболочку за счет попарного соединения валентных электронов соседних атомов. При этом каждый из четырех валентных электронов одного атома, вращаясь вокруг своего ядра, одновременно вращается и вокруг ядра другого, соседнего атома. Такая связь между атомами, называемая ковалентной, изображена на рис. 1, где валентные электроны показаны жирными точками. С помощью валентных электронов, связывающих атомы германия или кремния, формируется пространственная кристаллическая решетка полупроводников.

Рис. 1. Образование ковалентной связи между атомами кремния в кристаллической решетке	Рис. 2. Плоская модель кристаллической решетки кремния

При рассмотрении физических процессов в полупроводниковых материалах удобнее пользоваться плоским эквивалентом трехмерной кристаллической решетки, представленном на рис. 2, где каждый атом кремния расположен в узле кристаллической решетки и связан с окружающими его атомами силами ковалентной связи, которые также символизируют валентные электроны, обозначенные жирными точками. Такое представление кристаллической решетки полупроводника принято называть моделью ковалентной связи.

Структуру, как на рис. 2, имеют так называемые идеальные кристаллы из очень чистого полупроводника при очень низкой температуре. В таком полупроводнике нет свободных носителей заряда, его проводимость равна нулю, то есть он является изолятором. Чтобы полупроводник получил возможность проводить ток необходимо сделать валентные электроны атомов свободными, а значит перевести их на более высокий энергетический уровень.

Известно, что электроны в атоме занимают не любые, а только разрешенные уровни энергии, входящие в электронные оболочки. Последние разделены между собой запрещенными для электронов уровнями энергии. Когда электрон переходит с высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом. Если же электрон поглощает один квант энергии, то он переходит с низкого энергетического уровня на более высокий. Распределение электронов по уровням энергии принято показывать как на рис. 3, где горизонтальные линии – это уровни энергии электрона. Набор энергетических уровней твердого тела называют энергетической диаграммой или энергетическим спектром.

При образовании кристаллической решетки твердого тела сильное взаимодействие близлежащих атомов приводит к тому, что разрешенные уровни энергии расщепляются в разрешенные зоны, которые характеризуются тем, что все их уровни при температуре абсолютного нуля (0 К) заполнены электронами. Верхнюю из разрешенных зон называют валентной.

Запрещенные уровни энергии, на которых не могут находиться электроны (как в атомной модели между оболочками), расщепляются в так называемые запрещенные зоны.

В энергетическом спектре твердых тел присутствует еще одна зона – зона проводимости, которая отличается тем, что электроны, находясь в ней, обладают энергиями, позволяющими им освобождаться от связи с атомом и передвигаться внутри твердого тела, принимая участие в образовании тока. При температуре абсолютного нуля эта зона пуста, и электропроводность в полупроводнике отсутствует.

Для рассмотрения физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах из всех зон зонной структуры твердого тела интерес представляют три верхние зоны: валентная зона, зона проводимости и разделяющая их запрещенная зона. Взаимное расположение этих зон при температуре абсолютного нуля определяет деление твердых тел на металлы, диэлектрики и полупроводники.

Ширина запрещенной зоны является количественной характеристикой, определяющей электрофизические свойства твердых тел. Так ширина запрещенной зоны у диэлектриков намного больше, чем у полупроводников, а ширина запрещенной зоны у полупроводника германия меньше, чем у полупроводника кремния (см. рис. 3).

б

в

а

Рис. 3. Энергетические диаграммы:

а – диэлектрика, б – полупроводника кремния,

в – полупроводника германия

С точки зрения зонной модели именно ширина запрещенной зоны твердого тела определяет ту энергию, которую необходимо сообщить электронам валентной зоны, чтобы они преодолели запрещенную зону и оказались в зоне проводимости. Источником такой энергии могут явиться тепло, квант света или другие лучи.

Дата добавления: 2014-10-17