Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (Основы электроники и микроэлектроники (книга)), страница 4

У германия она уже, так как у него не три, а четыре слоя электронной оболочки, в результате чего валентные электроны слабее связаны с ядром. Сравнительно небольшая величина запрещенной зоны у полупроводников служит причиной того, что уже при некотором значении температуры, отличном " Один электрон-вольт (1 эВ) это энергии, которую приобретает электрон, пройди з электрическом поле разность потенциалов з ! В. 14 от абсолютного нуля, часть электронов получает достаточную энергию для перехода в зону проводимости. Если дополнительная энергия, сообщаемая валентиым электронам, превышает величину Л(аг„то они могут переходить с более низких уровней валентной зоны на более высокие уровни зоны проводимости.

Таким образом, число свободных электронов при повышении температуры возрастаег, электрическая проводимость полупроводника увеличивается, а электрическое сопротивление уменьшается. Наличие запрещенной зоны в энергетической диаграмме полупроводника объясняется особым строением его кристаллической решетки, в которой валентные электроны образуют связи между соседними атомами. По этой причине в полупроводниках значительно меньше свободных электронов„ чем в металлах, а следовательно, меньше удельная электрическая проводимость.

В диэлектриках, имеющих кристаллическую структуру, подобную полупроводникам, ширина запрещенной зоны значительно больше — до б — 10 эВ (рис. 1.2, в); это объясняется более прочными связями валентных электронов с атомами в кристаллической решетке. Поэтому в них практически нет свободных электронов, а удельная электрическая проводимость ничтожно мала. В связи с этим их используют в качестве электрических изоляторов.

Значительное увеличение электрической проводимости диэлектрика может произойти только при очень большом нагреве или сильном электрическом поле, когда валентные электроны получают большую дополнительную энергию, отрываются от атомов и становятся свободными: наступает пробой диэлектрика, 1.1.2. Электропроводность беспримесных полупроводников Электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от присутствия даже ничтожного количества примесей. Рассмотрим сначала химически чистый, т. е. беспримесный, полупроводник. Его кристаллическая структура показана на рис. 1.3.

на примере кремния. Кремний, как и германий, является элементом (У группы Периодической системы элементов Менделеева и имеет во внешней оболочке четыре валентных электрона. При образовании кристалла каждый атом, находясь в узле кристаллической решетки, создает связи с четырьмя соседними атомами. Каждая связь образуется парой валентных электронов (одним — от данного атома и другим — от соседнего) и называется коваленгяой.

Оба электрона ковалентной связи в кристалле вращаются по орбите, охватывающей оба атома, которые они связывают, и удерживаются в этой связи силами притяжения к ядрам этих атомов. Элементарная объемная часть такой решетки представляет собой 15 ободны нтрон 16 геометрическую фигуру, показанную на рис. !.3, а. На условном плоскостном изображении кристаллической решетки кремния (рис. 1.3, б) кружочками в узлах показаны остатки атомов без валентных электронов, причем цифра + 4 означает положительный заряд такого остатка; двумя линиями между соседними атомами изображены ковалентные связи и валентные электроны в них.

Около каждого атомного остатка четыре валентных электрона компенсируют его положительный заряд, так что кристалл в целом остается электрически нейтральным. На рис. 1.3, б один атом в центре выделен для наглядности пунктирной окружностью. Рис. !.3. Обьемная структура части кристаллической решетки кремния или германия (о) и ее схематическая плоскостная модель (б) При отсутствии примесей и температуре абсолютного нуля Т= О К в кристалле полупроводника все валентные электроны находятся в ковалентных связях атомов, так что свободных электронов нет. В этом случае кристалл не может проводить электрический ток и является идеальным диэлектриком.

При температуре выше абсолютного нуля атомы кристалла под воздействием тепловой энергии совершают колебания около узлов кристаллической решетки. Амплитуда этих колебаний тем больше, чем выше температура кристалла. Те электроны ковалентных связей, которые получают тепловую энергию, равную или превышающую ширину запрещенной зоны ЛФ; на определенную величину, отрываются и уходят из связей. Они становятся свободными (рис. 1.4,а) и могут перемешаться по кристаллу между узлами решетки. Свободный электрон является подвижным носителем отрицательного заряда.

Появление свободного электрона сопровождается разрывом ковалентной связи и образованием в этом месте так называемой дырки. Дырка проводимости, или просто дырка, — это место в ковалентной связи, не занятое электроном. Отсутствие отрицательного электрона в ковалентной связи равносильно появлению в этом месте положительного заряда + е, равного по величине заряду электрона. Этот положительный заряд приписывается дырке. Дырка может заполниться электроном из соседней связи; при этом в данной связи дырка исчезает, а в соседней — появляется.

Это равносильно перемещению дырки по кристаллу в направлении, противоположном переходу электрона по ковалентным связям (рис. !.4, б). Перемещение дырки сопровожда- Рис. !Л. Генерация пар свободный электрон — дырка в результате разрушения ковалентной связи (и) и перемещение дырки в кристалле (б) ется передвижением положительного заряда, поэтому дырку можно рассматривать как частицу, являющуюся подвижным носителем положительного заряда. Свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки — по ковалентным связям, поэтому подвижность отрицательных носителей заряда больше, чем положительных. Процесс образования пары свободный электрон — дырка называют генерацией пары носителей заряда.

Отражение этого процесса на энергетической диаграмме (рис. 1.5) соответствует переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости с одновременным появлением вакантного уровня энергии (дырки) в валентной зоне. Это позволяет электронам валентной зоны перемешаться на вакантный уровень, изменяя соответственно свою энергию. При отсутствии примесей в полупроводнике дырка появляется только при образовании свободного электрона, поэтому концентрация дырок р; в нем всегда равна концентрации электронов пь Концентрация подвижных носителей заряда зависит от температуры кристалла и ширины запрещенной зоны: концентрация носителей заряда возрастает с повышением температуры и уменьшением ширины запрещенной зоны. Следовательно, удельная электрическая проводимость полупроводника, пропор- Свободный злентпон Зона и водимо Генераций пар Раномбннациа Рнс. Ьз.

Энергетическая диаграмма, иллюстрируюцтан собственную злектропроводность полупроводника при разрушении ковалентной связи Освободнвюнйсн уровень-дырна в ,.т зона циональная концентрации носителей заряда, также увеличивается с повышением температуры, а ее величина больше в полупроводниках с меньшей величиной Л)йю Свободный электрон„совершая хаотическое движение, может заполнить дырку в ковалентной связи; разорванная ковалентная связь восстанавливается, а пара носителей заряда — электрон и дырка — исчезает: происходит рекомбинация носителей заряда противоположных знаков.

Этот процесс сопровождается выделением избыточной энергии в виде тепла или света. На энергетической диаграмме рис. !.5. рекомбинация соответствует переходу электрона из зоны проводимости на вакантный уровень в валентной зоне. Оба процесса — генерация пар носителей заряда и их рекомбинация — в любом объеме полупроводника происходят одновременно. Соответствующая концентрация носителей заряда устанавливается из условия динамического равновесия, при котором число вновь возникающих носителей заряда равно числу рекомбинируюших.

Промежуток времени между моментом генерации носителя заряда и его рекомбинацией называют временем жизни свободного электрона или дырки, а пройденное носителем заряда за время жизни расстояние — диффузионной длиной. Учитывая, что время жизни отдельных носителей заряда различно, под этими терминами понимают среднее время жизни и среднюю диффузионную длину.

Подвижные носители заряда обусловливают электропровод- ность полупроводника. При отсутствии электрического поля !в носители заряда движутся хаотически. Под действием электрического поля электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, смещаются вдоль поля: электроны — в сторону положительного потенциала, дырки — в сторону отрицательного.

Направленное движение обоих видов носителей заряда создает электрический ток в кристалле, который имеет две составляющие — электронную и дырочпую. Электропроводность полупроводника, обусловленную равным количеством электронов и дырок, появляющихся вследствие разрушения ковалентных связей, называют собственной электропроводностою. Соответственно беспримесный полупроводник называют собственным полупроводником. 1.1.3, Электропроводность примесных полупроводников Химически чистые полупроводники используют в полупроводниковой технике в основном в качестве исходного материала, на базе которого получают примесные полупроводники. За счет введения примеси можно значительно улучшить электропровод- ность полупроводника, создав в нем существенное преобладание одного какого-либо типа подвижных носителей заряда — дырок или электронов.