Носители заряда в полупроводнике (Электроны и дырки)

В рассмотренной идеальной решетке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не должна проводить электрический ток. Однако в полупроводниках (что коренным образом отличает их от диэлектриков) сравнительно небольшие энергетические воздействия, обусловленные нагревом или облучением, могут привести к разрыву некоторых валентных связей в решетке. При этом валентный электрон, оторвавшийся от своего атома, переходит в новое устойчивое состояние, в котором он обладает способностью перемещаться по кристаллической решетке. Такие сорванные с валентных связей подвижные электроны называются электронами проводимости. Они обусловливают электропроводность полупроводника, называемую электронной электропроводностью (рис.1.1).

Минимальная величина энергии ΔW, которую необходимо сообщить валентному электрону для того, чтобы оторвать его от атома и сделать подвижным, зависит от структуры решетки и, следовательно, является параметром полупроводника.

Энергия электронов, перемещающихся по кристаллу, лежит в некотором диапазоне значений, иначе говоря, электроны занимают целую зону энергетических уровней, называемую зоной проводимости. Энергетические состояния валентных электронов также образуют зону, называемую валентной. Между максимальным уровнем валентной зоны и минимальным уровнем зоны проводимости лежит область энергетическим состояний, в которых электроны не могут находиться; это так называемая запрещенная зона. Ширина запрещенной зоны W определяет энергию, необходимую для освобождения валентного электрона, т.е. энергию ионизации атома полупроводника. Таким образом, с энергетической точки зрения отрыв валентного электрона от атома и превращения его в электрон проводимости соответствуют перебросу электронов из валентной зоны в зону проводимости.

При разрыве валентной связи и уходе электрона из атома в решетку образуется незаполненная связь, которой присущ нескомпенсированный положительный заряд, равный по величине заряду электрона +e. Так как на незаполненную связь легко переходит валентные электроны с соседних связей, чему способствует тепловое движение в кристалле, то место, где отсутствует валентный электрон, (называемое, дыркой), хаотически перемещается по решетке. При наличии внешнего поля дырка также будет двигаться в направлении действия поля, что соответствует переносу положительного заряда, то есть электрическому току.

Этот вид электропроводности полупроводника называют дырочной электропроводностью в отличии от ранее рассмотренной электронной, обусловленной свободными электронами.

Полупроводник, имеющий в узлах решетки только собственные атомы, принято называть собственным проводником; все величины, относящиеся к нему, обозначаются индексом i (от английского слова intrinsic- присущий).

В электронике часто применяются полупроводники, у которых часть атомов основного вещества в узлах кристаллической решетки замещена атомами примеси, то есть атомами другого вещества. Такие полупроводники называются примесными. Для германия и кремния чаще всего используют пятивалентные и трехвалентные примеси. К пятивалентным примесям относятся фосфор, сурьма, мышьяк и др.; к трехвалентным - бор, алюминий, индий, галлий.

При наличии пятивалентной примеси четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается "лишним". Энергия связи его со своим атомом W_п намного меньше, чем энергия W, необходимая для освобождения валентного электрона.

Благодаря небольшой энергии ионизации W_n, пятый электрон даже при комнатной температуре может быть оторван от своего атома за счет энергии теплового движения. При этом образуется свободный электрон, способный перемещаться по кристаллической решетке, и неподвижный положительный заряд -атом примеси, потерявший этот электрон. Примеси такого вида, отдающие электроны, называются донорными, а кристаллы с подобной примесью - полупроводниками п-типа..

При введении трехвалентной примеси примесный атом отдает три своих валентных электрона для образования ковалентных связей с тремя близлежащими атомами. Связь с четвертым атомом оказывается незаполненной, однако на нее сравнительно легко могут переходить валентные электроны с соседних связей.

При перебросе валентного электрона на незаполненную связь примесный атом с присоединенным лишним электронов образует в решетке неподвижный отрицательный заряд; кроме того, в решетке образуется дырка, способная перемещаться по решетке и обусловливающая дырочную проводимость полупроводника. Примеси такого вида, захватывающие электроны, называются акцепторными, а кристалл с акцепторной примесью - полупроводник р-типа.

При каждом переходе электронов за счет возбуждений из валентной зоны в зону проводимости появляются энергетические вакансии в распределении электронов по состояниям валентной зоны, называемые "дырками". При наличии дырок электроны валентной зоны могут совершать эстафетные переходы с уровня на уровень. Во внешнем энергетическом поле дырка движется противоположно движению электрона, т.е. ведет себя как некоторый положительный заряд с отрицательной эффективной массой. Таким образом, дырки инициируют и обеспечивают участие валентных электронов в процессе электропроводности.

Процесс перехода электронов в свободное состояние сопровождается и обратным явлением, т.е. возвратом электронов в нормальное, невозбужденное состояние. В результате в веществе при любой температуре возникает динамическое равновесие.

С ростом t⁰ число свободных электронов в полупроводниках возрастает, а с падением t⁰ - уменьшается вплоть до нуля.

При 0⁰К различие между полупроводниками и диэлектриками исчезает. Ширина запрещенной зоны меняется с изменением температуры. Это происходит по двум причинам:

• из-за изменения амплитуды тепловых колебаний атомов решетки, поэтому ΔЭ уменьшается.
• из-за изменения межатомных расстояний, т.е. объема тела, поэтому ΔЭ может как уменьшаться, так и увеличиваться.

У большинства полупроводников с ростом t⁰ ширина разрешенной зоны увеличивается, запрещенной зоны - уменьшается

Можно считать ΔЭ = ΔЭ₀ –b∙T; b=(2-6)∙10^-4Эв/⁰К

При комнатной температуре (T =300⁰К) и нормальном атмосферном давлении ширина запрещенной зоны ΔЭ у германия составляет ~ 0.66 эВ, у Si=1.12 эВ, а арсенида галлия GaАs ~ 1.42 эВ. Отметим, что эти значения найдены для материалов с высокой степенью чистоты. В сильно легированных материалах ширина запрещенной зоны немного меньше. Как показывают экспериментальные результаты, ширина запрещенной зоны большинства полупроводников уменьшается с ростом температуры. Температурные зависимости для Ge, Si и GaAs приведены на Рис. 16.2. (рис.29).

При T =0⁰К в этих полупроводниках ширина запрещенной зоны равна соответственно 0.743 эВ (Ge); 1.17 эВ (Si) и 1.519 эВ (GaAs).

Числовые значения параметров ΔЭ, a и b приведены на рис. 16.2 (рис.29). Отметим, что для этих полупроводниковых материалов температурный коэффициент d(Э)/dT отрицателен. В некоторых полупроводниках однако, производная d(Э)/dT положительна. Например в PbS (приложение Д) ширина запрещенной зоны увеличивается от 0.286 эВ при Т=0⁰К до 0.41 эВ, при Т=300⁰К.

Рис. 16.2.

При комнатной температуре ширина Δ Э увеличивается с ростом давления: в Ge d(Δ Э)/dP=5*10^-6 эВ/(кг/см²), а в GaAs d(Δ Э)/dP ~ 12.6*10^-6 эВ/(кг/см²).

В кремнии ширина Δ Э с ростом давления уменьшается (d(Э/dP=-2.4*10^-6 эВ/(кг/см²)).

Однако энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состояние или для образования дырки, может дать не только тепловое движение, но и другие источники энергии: энергия света, поток заряженных частиц, энергия поля, механическая энергия и т.д.

Электрические свойства определяются условиями взаимодействия и расстояниями между атомами вещества и не являются непременной особенностью данного атома (углерод в виде алмаза - диэлектрик, в виде графита - проводник).

Дата добавления: 2014-01-04