Глава VI. Физика полупроводников

§1.Собственные полупроводники

Химически чистые полупроводники обнаруживают собственную проводимость, которую отличают от примесной проводимости менее чистых образцов. Такие полупроводники также называют собственными полупроводниками. К собственным полупроводникам ним относится ряд чистых химических элементов (германий, кремний, селен, теллур и др.) и многие химические соединения, такие, например, как арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), карбид кремния (SiC) и др. Ниже, на рисунке представлена схема электронной энергетической зонной структуры собственного полупроводника. Она позволяет легко интерпретировать явление собственной проводимости.

Б удем исходить из того, что при абсолютном нуле температуры в зоне проводимости все уровни свободны. И она отделена от валентной зоны энергетической щелью шириной . Ширина энергетической щели равна разности между наиболее низкой точкой зоны проводимости и наиболее высокой точкой валентной зоны . Наиболее низкая точка зоны проводимости называется краем или (дном) зоны проводимости, а наиболее высшая точка валентной зоны называется краем или (вершиной) валентной зоны. По мере возрастания температуры электроны валентной зоны вследствие термического возбуждения будут переходить в зону проводимости (рис. б), а в валентной зоне остаются вакантные состояния, называемые дырками. Приписывая дырке положительный заряд, численно равный заряду электрона, мы должны приписать ей и положительную эффективную массу , численно равную отрицательной эффективной массе электрона, ранее занимавшего данное вакантное состояние. Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, будут давать вклад в электропроводность. При высоких температурах, как правило, преобладает собственная проводимость. В качестве примера в таблице приведены электрофизические свойства и характеристики зонной структуры трёх типичных собственных полупроводников при комнатной температуре

§2. Примесные полупроводники

Некоторые примеси, и некоторые виды дефектов решётки могут весьма существенным образом влиять на электрические свойства полупроводников. Например, добавление в кремний бора в количестве одного атома на атомов кремния увеличивает проводимость при комнатной температуре в тысячу раз по сравнению с прводимостью чистого кремния. Небольшая добавка примеси к полупроводнику называется легированием.

Полупроводники любой степени чистоты содержат всегда примесные атомы, создающие свои собственные энергетические уровни, получившие название примесных уровней. Эти уровни могу располагаться как в разрешённой, так и в запрещённых зонах полупроводников на различных расстояниях от вершины валентной зоны и дна зоны проводимости. В ряде случаев примеси вводят (легируют) сознательно для приданию полупроводнику необходимых свойств. Рассмотрим основные типы примесных состояний.

а ) Донорные уровни. Предположим, что в кристалле германия часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка. Германий имеет решётку типа алмаза, в которой каждый атом окружён четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним ковалентными силами. Для установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует четыре валентных электрона; пятый электрон в образовании связи не участвует.

Он продолжает двигаться в поле атома мышьяка, ослабленного в германии в раз ( -диэлектрическая проницаемость германия). Вследствие ослабления поля радиус орбиты электрона увеличивается в 16 раз, а энергия его связи с атомом уменьшается примерно в раз, становясь равной эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решётке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости (рис. а, б).

На языке зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Между заполненной валентной зоной и свободной зоной проводимости располагаются энергетические уровни пятого электрона мышьяка (рис.в). Эти уровни размещаются непосредственно у дна зоны проводимости, отстоя от неё на расстоянии эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней энергии они переходят в зону проводимости (рис.г). Образующиеся при этом положительные заряды (дырки) локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют. Примеси, являющиеся источником электронов в зону проводимости, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей - донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками - типа; часто их называют донорными полупроводниками.

б) Акцепторные уровни. Предположим теперь, что в решётке германия часть атомов германия замещена атомами трёхвалентного индия. Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «занять» у атома германия. Оценочный расчёт показывает, что для этого требуется энергия эВ. Разорванная связь представляет собой дырку (рис. а, б). На рисунке в, г показана зонная структура германия, содержащего примесь индия. Непосредственно у вершины валентной зоны на расстоянии эВ располагаются незаполненные уровни атома индия. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при относительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни.

С вязываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решётке германия и в проводимости не участвуют. Носителями заряда являются дырки, возникающие в валентной зоне. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называют акцепторными, а энергетические уровни этих примесей - акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие такие примеси, называются дырочными полупроводниками или полупроводниками p –типа; часто их называют акцепторными полупроводниками.