Структура связей атомов и электронов полупроводника

Свойствами полупроводников обладает большое количество материалов, в частности кремний (Si). Он четырёхвалентен и связь между атомами в кристалле является ковалентной или парноэлектронной. То есть любой электрон внешней оболочки одновременно как бы принадлежит двум атомам, а в целом у каждого атома формируется устойчивая восьмиэлектронная оболочка. Эти связи можно условно представить в виде параллельных линий, как показано на рис. 1.4

Рис.1.4. Структура кристаллической решетки

и принцип образования ковалентных связей

в собственном полупроводнике.

В отличие от металлов в полупроводнике каждый электрон при T = 0° находится на вполне конкретном месте и за его перемещением в принципе можно проследить.

При температуре выше абсолютного нуля тепловое возбуждение приводит к перебросу части электронов из валентной зоны через запрещенную зону на дно зоны проводимости (). По этой причине отсутствие электрона в валентной зоне приводит к появлению положительного заряда в химической связи, который характеризуется как положительно заряженная квазичастица – дырка. Следовательно, носителями зарядов в полупроводниках являются электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Движение дырок можно представить как совокупное поведение электронов валентной зоны.

Процесс образования свободных электронов и дырок под воздействием тепла называют тепловой генерацией. Она характеризуется скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Помимо тепловой генерации возможна генерация под воздействием света или каких-либо других энергетических воздействий.

Так как кристалл – регулярная и упорядоченная структура, то образование одного свободного электрона обязательно будет сопровождаться рождением одной дырки. Этот процесс называется генерацией электронно-дырочных пар.

Рис.1.5. Перемещение электрона в кристаллической

решетке собственного полупроводника.

Условно это отображено на рис. 1.5. При перемещении электронов вправо происходит последовательная ионизация атомов кремния и можно считать, что некоторый положительный ионизирующий заряд перемещается влево. На самом деле движущихся положительных зарядов здесь нет, его роль выполняет дырка - пустое место в ковалентной связи.

Рис.1.6. Переход электрона из валентной зоны

в зону проводимости.

С этой точки зрения дырку считают переносчиком электрического тока, но имеющим положительный электрический заряд (это не реальная частица типа позитрона или иона, а некоторая абстракция, вводимая лишь для моделирования протекающих процессов). В данной ситуации ток через полупроводник будет протекать, хотя формально в зоне проводимости может не оказаться ни одного электрона.

Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического движения. Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях, при этом выделяется ранее затраченная энергия. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью рекомбинации R, определяющей количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени.

При переходе электрона в зону проводимости ток будет обусловлен его перемещением по кристаллу. При наличии дырки между ковалентными связями кристалла будут перемещаться разные электроны, что эквивалентно движению одной дырки.

Проводимость собственного (без примесей) полупроводника имеет двойственный характер, она определяется наличием как электронов в зоне проводимости, так и дырок в валентной зоне. Проводимость зависит от концентрации носителей, то есть от их количества в единице объёма. Концентрацию электронов обозначают буквой n (negative), а дырок – p (positive)

Если дырок в валентной зоне нет, а электроны в зоне проводимости присутствуют, то переносчиками тока будут только электроны и такой ток называется электронным. Если же в зоне проводимости электроны отсутствуют, а дырки в валентной зоне есть, то ток всё равно может течь, но его носителем будут дырки. Такой ток называется дырочным, так как он обусловлен перемещением дырок.

В равновесном состоянии для собственного полупроводника генерация и рекомбинация протекают с одинаковой скоростью , поэтому в полупроводнике устанавливается собственная концентрация электронов, обозначаемая , и собственная концентрация дырок, обозначаемая . Индекс i происходит от англ. intrinsic – собственный. Поскольку электроны и дырки генерируются попарно, то в собственном полупроводнике выполняется условие . Скорость тепловой генерации обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны и прямо пропорциональна температуре T. Поэтому чем шире запрещенная зона, тем меньше концентрация собственных носителей заряда.

Энергетический уровень, вероятность нахождения электронов на котором равна ½, называется уровнем Ферми (). В собственных полупроводниках уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны.

Ширина запрещенной зоны в полупроводниках хоть и слабо, но меняется с изменением температуры. Это происходит по двум причинам: из-за изменения амплитуды тепловых колебаний атомов решетки, которое ведет к уменьшению с ростом температуры; из-за изменения межатомных расстояний, т.е. объема тела, благодаря чему может как уменьшаться, так и увеличиваться. Как показывают экспериментальные результаты, ширина запрещенной зоны большинства полупроводников уменьшается с ростом температуры. Эти зависимости для Ge, Si и GaAs приведены на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Зависимость ширины запрещенной зоны

от температуры.

Зависимость в этих полупроводниках может быть аппроксимирована универсальной функцией, используя которую можно определить ширину запрещенной зоны для любой температуры

(1)

Числовые значения параметров , и определяются по экспериментальным зависимостям и приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Основные параметры полупроводниковых материалов.

Материал полупроводника	Si	Ge	GaAs
Ширина запрещенной зоны при		1.17	0.744	1.519
Параметры для определения ширины запрещенной зоны		4.73∙10^-4

Если носители тока в полупроводнике есть, но внешнее электрическое поле отсутствует, то они совершают хаотические перемещения и в целом ток будет равен нулю. Если же приложить некоторую разность потенциалов, то электрическое поле упорядочит движение носителей, и электроны будут перемещаться к положительному полюсу, а дырки к отрицательному. Такое движение носителей (под действием электрического поля) называется дрейфом. Полный ток в этом случае будет складываться из электронного и дырочного.

Дата добавления: 2014-01-06