Полупроводники

 Полупроводники

Полупроводниками называют такие вещества, в которых электропроводность обусловлена движением электронов, а удельное сопротивление при комнатных температурах лежит в пределах 10^-2–10⁹ Ом·см. Удельное сопротивление полупроводников резко меняется с изменением температуры. В отличие от металлов сопротивление полупроводников уменьшается с повышением температуры. Сопротивление полупроводников сильно зависит от наличия примесей.

Электроны, входящие в состав атома, находятся на дискретных энергетических уровнях; каждый электрон имеет вполне определенное значение энергии, которое отличается от энергии других электронов. В изолированном атоме не может быть более двух электронов, находящихся на одном и том же энергетическом уровне; но и такие электроны будут отличаться друг от друга ориентацией спинов. Этот закон называется принципом Паули.

У изолированных атомов какого-либо вещества все уровни оперши одинаковы. При взаимодействии уровни энергии каждого атома незначительно изменяются по сравнению с уровнями энергии невзаимодействующих атомов; уровни энергии взаимодействующих атомов будут отличаться друг от друга.

На рис.1а для примера изображены уровни энергии K и L, невзаимодействующих атомов; при взаимодействии n атомов каждый из уровней «расщепляется» на n различных уровней, что указано на рис.1б. Различие в энергиях «расщепленных уровней» равно приблизительно 10^-22–10^-23 эВ. Совокупность расщепленных уровней энергии образует зону дозволенных (разрешенных) уровней энергии. Зоны отделяются друг от друга интервалами недозволенных значений энергии; такие интервалы энергии называются запрещенными зонами; электрон не может иметь уровней энергии, которые находятся внутри запрещенной зоны.

Электропроводность как металлов, так и полупроводников обусловлена лишь валентными электронами, так как электроны внутренних оболочек прочно связаны с ядром. При 0 °К валентные электроны занимают низшие уровни энергии. Все разрешенные уровни в этой зоне являются занятыми. Эта зона называется заполненной (или валентной) зоной. Во второй зоне дозволенных уровней энергии при 0 °К нет ни одного электрона; эта зона называется зоной проводимости. Заполненная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной (рис.1в). Энергия, необходимая для перехода электрона из заполненной зоны в зону проводимости, называется шириной запрещенной зоны (ΔE₀). У металлов зона проводимости и валентная зона перекрываются; у изоляторов ΔE₀ > 2 эВ.

Рис.1. Схема уровней энергии электронов в полупроводниках

Возникновение электропроводности связано с наличием электронов в зоне проводимости; если нет электронов в зоне проводимости, то нет и электропроводности.

Тепловое движение обеспечивает (кроме других воздействий) переходы электронов в зону проводимости. Количество электронов в зоне проводимости определяется соотношением

n = AeΔE0 / 2kT ,

1)

где

A	—	постоянная;
k	—	постоянная Больцмана;
T	—	абсолютная температура.

Удельная электропроводность

σ = σ0e–ΔE0 / 2kT .

2)

После перехода электрона в зону проводимости в валентной зоне возникают вакантные уровни. При наличии внешнего электрического поля электроны будут перемещаться в обеих зонах. Проводимость, обусловленная перемещением электронов в зоне проводимости, называется электронной (n-) проводимостью; проводимость, обусловленная движением электронов в валентной зоне, называется дырочной (p-) проводимостью. Перемещение электрона в заполненной зоне можно рассматривать как перемещение положительного заряда в направлении, противоположном движению электрона. Такой положительный заряд условно называют «дыркой».

Проводимость, обусловленная движением одинакового количества электронов и дырок, которые образуются в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, называется собственной. Собственная проводимость возникает за счет нарушения валентных связей.

При практическом применении полупроводников наибольшее значение имеет примесная проводимость, которая определяется примесями других веществ. Примеси бывают двух видов – донорные и акцепторные. Донорные примеси создают дополнительные разрешенные уровни энергии вблизи верхней границы запрещенной зоны; атомы таких примесей отдают электроны в зону проводимости и тем самым обеспечивают примесную электронную проводимость. Акцепторные примеси создают дополнительные уровни вблизи нижней границы запрещенной зоны; атомы акцепторных примесей принимают на свои уровни электроны из валентной зоны и тем самым обеспечивают примесную дырочную проводимость.

В германии примеси элементов V группы периодической системы (например, сурьмы) являются донорными, а примеси элементов III группы (например, галлия) – акцепторными.

Возможна примесная проводимость, когда в полупроводник введены акцепторные и донорные примеси.

Следует заметить, что но всех полупроводниках всегда имеются электроны и дырки, но вклад их в электропроводность может быть неодинаковым за счет различных концентраций или подвижностей.