Собственные и примесные полупроводники
Если в структуру идеального полупроводника ввести атом вещества, относящегося к V группе периодической системы элементов Д. И. Менделеева (например, сурьмы), то этот атом также образует валентные связи с четырьмя соседними атомами германия. Однако атомы элементов V группы имеют во внешней оболочке не четыре, а пять валентных электронов. Пятый электрон будет в данном случае избыточным. Такой избыточный электрон оказывается значительно слабее связанным со своим атомом. Для того чтобы оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда, требуется значительно меньшее количество энергии, чем для высвобождения электрона из валентной связи. В зонной модели это значит, что для того, чтобы перевести такой электрон в зону проводимости, необходимо значительно меньшее количество энергии, чем то, которым определяется расстояние между верхним уровнем валентной зоны ЕВ (потолком валентной зоны) и нижним уровнем зоны проводимости ЕП (дном зоны проводимости). А это, в свою очередь, обозначает, что уровни, на которых будут находиться такие электроны, должны располагаться в запрещенной зоне вблизи от дна зоны проводимости (рис. 2.2). При очень низких температурах избыточные электроны находятся на этих уровнях, но уже при незначительном повышении температуры получают достаточное для перехода в зону проводимости количество энергии.
а) б) Рис. 2.2. Модель образования электронной примесной электропроводности: а) в плоскостном изображении; б) на зонной энергетической диаграмме. Количество энергии, необходимое для переброса такого электрона в зону проводимости, называется энергией активации примеси. Уход электрона от атома сурьмы превращает этот атом в положительный ион. Здесь уже можно говорить об ионизации данного атома. Этот положительный заряд будет прочно связан с кристаллической решеткой, и не будет перемещаться подобно дырке. Таким образом, появление в кристаллической решетке германия примесного атома V группы привело к появлению в зоне проводимости свободного электрона. Такой электрон при своем появлении в зоне проводимости не оставляет вакансии в валентной зоне. Его существование не связано с одновременным существованием дырки. Увеличивая содержание атомов сурьмы в германии, мы тем самым увеличиваем содержание свободных электронов в нем, не увеличивая при этом содержания дырок, как это имело место в случае собственной электропроводности. Если концентрация электронов существенно превысит концентрацию дырок, то можно считать, что в данном кристалле ток в основном переносится электронами. Другими словами, электроны в этом случае будут основными носителям и заряда, а дырки — неосновными. Примеси, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются донорными примесями или донорами. Донорные примеси за счет эмиссии электронов с донорных уровней в зону проводимости обеспечивают электронную электропроводность полупроводника. Полупроводники, в которых основными носителями заряда являются электроны, называются полупроводниками с электронной электропроводностью. Часто для краткости такие полупроводники называют электронными полупроводниками или полупроводниками n -типа (по знаку зарядов, от латинского negative — отрицательный). Рассмотрим теперь случай, когда в кристаллическую решетку германия вводится атом III группы периодической системы элементов, например галлий.
а) б) Рис. 2.3. Модель образования дырочной примесной электропроводности: а) в плоскостном изображении; б) на зонной энергетической диаграмме. Внешняя электронная оболочка атома этого элемента содержит всего три валентных электрона. В кристаллической решетке германия атом галлия образует только три заполненные валентные связи. Четвертая связь остается незаполненной, однако эта незаполненная связь не несет заряда, и атом галлия и смежный с ним атом германия являются электрически нейтральными. При небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних заполненных валентных связей (рис. 2.3, а) может перейти в эту связь. Во внешней оболочке галлия при этом появляется лишний электрон, атом галлия теряет свою электрическую нейтральность и превращается в отрицательный ион. Нарушается и электрическая нейтральность в той связи, откуда электрон перешел в дефектную связь галлия. В этой связи появляется положительный заряд — дырка. Вводя в германий примеси III группы, получают возможность повышать концентрацию дырок. При достаточной концентрации атомов такой примеси дырки станут основными носителями, а электроны — неосновными носителями. Так как переход электронов из валентных связей к атому галлия не требует больших энергий, сравнимых с шириной запрещенной зоны, можно предположить, что введение атома галлия в решетку германия приводит к появлению свободного уровня вблизи от потолка валентной зоны. При низких (близких к гелиевым) температурах этот уровень остается свободным. При небольшом повышении температуры один из валентных электронов покидает валентную зону и занимает этот уровень, оставляя после себя в валентной зоне свободный уровень — дырку (рис.2.3,б). В данном случае энергия, которую необходимо сообщить валентному электрону для того, чтобы перевести его на примесный уровень, будет называться также энергией активации примеси. Примеси, способные принимать на свои уровни валентные электроны, называются акцепторными примесями или акцепторами. Акцепторные примеси, принимая валентные электроны на акцепторные уровни, приводят к появлению в полупроводнике дырочной электропроводности. Полупроводники, в которых основными носителями заряда являются дырки, называются дырочными полупроводниками или полупроводниками p -типа (от латинского positive — положительный). Все процессы, которые мы рассматривали выше, являются, вообще говоря, обратимыми. Наряду с переходами электронов с нижних уровней на более высокие происходят и обратные переходы электронов с более высоких уровней на более низкие. Электроны при этом теряют энергию, отдавая ее кристаллической решетке или излучая электромагнитные колебания, происходит и процесс восстановления нарушенных связей. Свободный электрон при этом возвращается в нарушенную связь, т. е. переходит из зоны проводимости в валентную зону, заполняя в ней один из свободных уровней. Пара электрон-дырка при этом исчезает. Такой процесс носит название рекомбинации. При некоторой установившейся температуре кристалл находится в состоянии термодинамического равновесия. Процесс генерации уравновешивается процессом рекомбинации. В единичном объеме полупроводника все время имеется некоторое определенное для данного полупроводника и данной температуры количество свободных носителей заряда (количество зарядов или частиц в единичном объеме, например в 1 см3, называется концентрацией ). С повышением температуры число пар, генерируемых в единицу времени, возрастает. Однако повышение концентрации свободных носителей приводит к повышению вероятности рекомбинации. Число рекомбинаций в единицу времени также возрастает. В результате среднестатистическая концентрация свободных носителей, существующих в данном объеме в каждый момент времени, с повышением температуры возрастает. Следует помнить, что для состояния термодинамического равновесия равенство скоростей рекомбинации и генерации совершенно обязательно. В противном случае концентрация носителей изменялась бы во времени, или спадая до нуля, или неограниченно возрастая. Этот процесс не был бы уже равновесным.
|
