2.3.2 Диэлектрики, полупроводники, проводники

Электроны в кристалле могут совершать внутризонные переходы с одного энергетического уровня на другой и междузонные — из одной зоны в другую. В первом случае для перехода им необходимо сообщить энергию порядка 10~22 эВ, во втором слу­чае — преодолеть запрещенную зону, т. е. сообщить электрону энергию порядка единиц эВ.

Установлено, что электрическое поле может сообщить энергию порядка 10^-4—10^-8 эВ. Этой энергии достаточно только для внутризонного перехода электронов. Нагреванием кристалла, повы­шением его температуры можно сообщить электрону энергию, до­статочную для перевода его в соседнюю зону.

Вещества с полностью заполненной валентной оболочкой (при Т=0), у которых зона проводимости отделена от валентной доста­точно широкой запрещенной зоной (W₃=5…10 эВ), называются диэлектриками (рис. 2.22, а). У этих веществ электроны не могут совершить ни внутризонного, ни междузонного перехода.

Вещества с совершенно свободной зоной проводимости, у ко­торых запрещенная зона сравнительно невелика (W₃=1…3 эВ), называются полупроводниками (рис. 2.22, б). У этих веществ при температуре выше нуля возможно тепловое возбуждение элек­тронов и перевод их в зону проводимости. Чем выше темпера­тура, тем больше возбужденных электронов, тем больше электро­проводность.

Вещества, у которых в валентной зоне имеется достаточное количество незаполненных уровней или валентная зона перекры­вается или соприкасается с зоной проводимости (рис. 2.22, в, г), называются проводниками. Если поместить такой кристалл в электрическое поле, то электроны, находящиеся у верхнего края валентной зоны, будут ускоряться электрическим полем и пере­ходить на более высокие энергетические уровни, создавая элек­трический ток.

2.3.3 Собственные и примесные полупроводники

Если электрону в полупроводниковом кристалле путем повы­шения температуры, освещением, радиоактивным облучением или сильным электрическим полем сообщить достаточное количество энергии, превышающее энергию запрещенной зоны W₃, то такой электрон из валентной зоны окажется переброшенным в зону проводимости и будет свободным носителем заряда, т. е. элек­троном электропроводности. При этом кристалл приобретает свойство проводимости. С повышением температуры количество электронов, преодолевающих запрещенную зону, увеличивается. Проводимость полупроводника также увеличивается.

Проводимость химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью, а сами полупроводники – собственными полупроводниками. Проводимость полупроводников принято объяснять не только переходом электронов. При переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости в валентной зоне останутся не скомпенсированные положительные заряды ато­мов. Эти положительные заряды называют дырками. Образовав­шиеся дырки могут быть заняты электронами соседних уровней данной валентной зоны. В свою очередь образовавшиеся новые дырки занимаются другими электронами, и процесс перехода бу­дет продолжаться. Дырка как бы перемещается из связи в связь, вместе с ней перемещается положительный заряд. Создается ды­рочный ток.

Если поместить полупроводник в электрическое поле, то элек­троны будут перемещаться против направления поля, создавая электронную проводимость σ_n, а дырки — по направлению поля, создавая дырочную проводимость σ_p. В соответствии с наличием двоякого рода носителей тока в полупроводнике различают элек­тронную σ_n и дырочную σ_p составляющие тока. Общий ток в полу­проводнике является суммой этих токов i=j_n+i_p;

Проводимость полупроводника существенно зависит не только от температуры, но и от различного рода примесей. В отличие от металлов примеси в полупроводниках увеличивают электро­проводность. Так, например, 0,001% примеси бора может увели­чить проводимость кремния в 1000 раз.

Проводимость полупроводника, обусловленная примесями, на­зывается примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными.

Введение примесей в кристалл приводит к возникновению в за­прещенной зоне дополнительных энергетических уровней, увели­чивающих электропроводность полупроводника.

При введении, например, в германий или кремний незначитель­ной доли мышьяка дополнительный уровень будет располагаться в непосредственной близости от дна зоны проводимости (рис. 2.23, а).

Энергия возбуждения электронов, находящихся на примесных уровнях (ΔW_д), почти на два порядка меньше энергии возбужде­ния собственных электронов кристалла (ΔW₀), поэтому при на­гревании полупроводника в первую очередь возбуждаются элек­троны примесных атомов.

При сообщении электронам энергии больше, чем ΔW_д, по­следние с примесного уровня будут переходить в зону проводи­мости. Концентрация примесных электронов во много раз превы­сит концентрацию собственных. В этом случае говорят, что полу­проводник обладает примесной электронной проводимостью или проводимостью n-типа.

Примеси, являющиеся источниками электронов проводимости, называются донорными, а энергетические уровни этих при­месей— донорными уровнями.

Если в кристалл германия или кремния ввести в качестве при­меси индий, то дополнительные (локальные) энергетические уро­вни образуются вблизи потолка валентной зоны (рис. 2.23, б). При возбуждении электроны могут покинуть валентную зону и захватиться атомами индия (осуществить недостающую связь), и в валентной зоне германия образуются дырки.

Примеси, способные принимать на свои уровни валентные эле­ктроны, называются акцепторными (захватывающими) или при­месями n-типа, а энергетические уровни — акцепторными уров­нями.

Таким образом, изменяя природу примесей и их концентра­цию, можно в широких пределах изменять электрические свой­ства полупроводников. Применяя различного рода примеси, мо­жно в одном и том же кристалле создать области с различными типами проводимости.