1.1 Загальні відомості про напівпровідники

Напівпровідники (НП) – це речовини, що за своїми електричними властивостями займають проміжне положення між провідниками та діелектриками. Питома електропровідність напівпровідників змінюється в межах См/м, тоді як у металах вона дорівнює См/м, а у діелектриках не перевищує См/м.

Основна властивість, що відрізняє напівпровідники від інших матеріалів у електричному відношенні, – це суттєва залежність питомої електропровідності від температури, концентрації домішок, світлового та іонізуючого випромінювань.

У провідників електрони на зовнішніх оболонках атомів кристалічної решітки (валентні електрони) слабо зв’язані з ядрами, і вони внаслідок щільного перекриття зовнішніх оболонок сусідніх атомів мають змогу вільно переходити від одного атома до іншого. Це зумовлює високу електропровідність провідників. У напівпровідниках, на відміну від провідників, валентні електрони беруть участь у ковалентному зв’язку між сусідніми атомами решітки, який здійснюється парою електронів (рис.  1.1). Кількість ковалентних зв’язків атома із сусідніми атомами дорівнює валентності.

Чистими (бездомішковими) напівпровідниками є чотиривалентні германій Ge та кремній Si, елементи 4 групи періодичної таблиці. Тому кількість ковалентних пар електронів у атомах цих речовин – 4, як це показано на рисунку 1.1 для германію.

Енергетична діаграма бездомішкового НП показана на рисунку 1.2 для випадку Т=0. Вона ілюструє той факт, що в ході утворення кристалічної решітки між атомами виникає сильна взаємодія, яка приводить до розщеплення енергетичних рівнів електронів у атомі. Кожній орбіті відповідає своє дискретне значення енергії електрона. Сукупність енергетичних рівнів, що виникають під час зближення атомів, називають енергетичною зоною. Кожна зона містить у собі N підрівнів (N – кількість взаємодіючих атомів у одиниці об’єму). На рисунку 1.2 такі зони (дозволені зони) мають назву: ВЗ – валентна зона – це зона, в якій при Т=0 всі енергетичні рівні заповнені; ЗП – зона провідності – зона, в якій при Т=0 електрони відсутні. Дозволені зони відокремлені одна від одної забороненою зоною (ЗЗ) – зоною, що утворена енергетичними рівнями, які не можуть бути заповнені електронами атомів даної речовини.

Рис. 1.1 – Схема кристалічної решітки з ковалентними зв’язками при абсолютній температурі Т=0

Рис. 1.2 – Енергетична діаграма бездомішкового напівпровідника при Т=0

Ширина ЗЗ – це важливий параметр, що визначає електричні властивості твердого тіла. У металів ширина ЗЗ , у напівпровідників – , у діелектриків – .

Отже, при абсолютній температурі Т=0 в бездомішковому НП всі без винятку електрони беруть участь у ковалентних зв’язках між атомами, вільні носії заряду відсутні (ЗП не заповнена).

1. Власна електропровідність напівпровідників

При збільшенні температури (Т>0) деякі валентні електрони отримують енергію, якої вистачає, щоб розірвати ковалентний зв’язок (рис. 1.3 а). Внаслідок цього у міжатомному зв’язку виникає одиничний заряд – дірка. На енергетичній діаграмі НП це явище супроводжується виникненням вільного енергетичного рівня (рис. 1.3 б).

Рис. 1.3 – Механізм власної провідності НП:

а – кристалічна решітка при Т>0;

б – енергетична діаграма

На місце утвореного розриву ковалентного зв’язку (вільний рівень у ВЗ) може перейти електрон із сусідньої ковалентної пари, і тоді відбудеться “заповнення” місця попереднього розриву й утворення дірки у новому місці. Це рівносильно переміщенню дірки. Таким чином, у чистому бездомішковому НП утворюються вільні носії заряду – електрони і дірки, тобто відбувається генерація вільних носіїв.

Крім збільшення температури, причиною генерації носіїв може бути освітлення напівпровідника. Генерація супроводжується зворотним процесом – рекомбінацією. Рекомбінація – це відновлення ковалентного зв’язку, утворення при зіткненні пари електрон-дірка нейтрального атома. На енергетичній діаграмі процес рекомбінації відповідає поверненню електрона з ЗП назад до ВЗ. При встановленні теплової рівноваги процеси генерації та рекомбінації компенсують один одного, і при даній температурі у НП утворюється певна концентрація вільних електронів n_i (n_i заповнених рівнів у ЗП) і вільних дірок р_і (стільки ж незаповнених рівнів у ВЗ). Ці концентрації можна визначити за формулою

, (1.1)

де W – ширина забороненої зони (тобто енергія, яку треба віддати валентному електрону, щоб він став вільним носієм заряду), k=1,38·10^-23Дж/К – стала Больцмана, А – коефіцієнт пропорційності, що залежить від матеріалу напівпровідника (А=5·10¹⁹см^-3 для германію; А=2·10²⁰см^-3 для кремнію).

Індекс у позначеннях власних концентрацій носіїв n_i та р_і походить від англійського слова intrinsic – притаманний.

Із формули (1.1) випливає, що концентрація носіїв заряду, а отже, і власна електропровідність напівпровідника будуть тим більші, чим більша температура і чим вужча заборонена зона. Для найбільш поширених напівпровідників ширина ЗЗ дорівнює: для германію W=0,72 еВ; для кремнію W=1,12 еВ; для арсеніду галію (GaAs) W=1,41 еВ.

На рисунку 1.3 б рівень W_і, збіжний із серединою ЗЗ, - це рівень Фермі. Як відомо з фізики, цей рівень відповідає енергетичному рівню, на якому електрон з’являється з ймовірністю, що дорівнює 0,5.