Учебник - ФОЭ (1267772), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Вакантное место, которое образовалось в результатеразрыва ковалентной связи и ухода электрона из валентной зоны, имеетположительный заряд. Оно ведёт себя в кристалле как виртуальная (мыслимая) элементарная частица7, имеющая реальный положительный заряд,равный по модулю заряду электрона. Состояние частично заполненнойзоны проводимости и частично свободной валентной зоны (рис. 1.11) означает наличие разрывов ковалентных связей в модели кристалла,приведённой на рис. 1.5. Оно показано на рис. 1.12.Разрыв ковалентной связи собственныхатомов за счёт энергии тепловых колебаний решётки, т. е.
уход электрона с общей орбиты, формирующей ковалентную связь, создаёт пару свободных носителей заряда – отрицательный электрон взоне проводимости и положительнуюдырку в валентной зоне.––+Модель примесного полупроводника++–Рис. 1.12. Образование носителей заряда в собственном полупроводникеЧисло атомов в кристалле велико, порядка 1022 см–3, а глубина энергетических зон конечная, единицы эВ. Поэтому как в зоне проводимости,так и в валентной зоне образуется практически непрерывный спектр разрешённых состояний, состоящих из огромного числа дискретных уровней,разделённых незначительным зазором. Действительно, если принять, чтоЕа = 1эВ, объёмная плотность атомов равна 1022 см–3 и на каждый атомприходится по 4 разрешённых состояния, то энергетический интервалмежду разрешенными состояниями составит 1:(4·1022) = 2,5·10–23эВ.
Этона 20 порядков меньше характерного масштаба энергии тепловых колебаний решётки κТ0 = 26эВ для Т0 = 300 К.Наличие огромного количества разрешённых состояний, сопоставимого с числом атомов в кристалле, позволяет считать электроны зоныпроводимости и дырки в валентной зоне свободными носителями заряда(СНЗ) в кристалле, т. к. они имеют возможность практически непрерывноизменять своё состояние в пространстве энергий и в пространстве коор19динат полупроводника. Ведь все разрешённые состояния принадлежатконкретным атомам.Посредством электрического поля, например, можно сформироватьнаправленный перенос СНЗ и получить ток проводимости в полупроводнике. Электрическая проводимость будет иметь биполярный характер,поскольку осуществляется СНЗ двух знаков – положительными дыркамии отрицательными электронами.
Биполярная проводимость – необходимый признак собственного полупроводника, в котором нет примесей, ирешётка содержит атомы только одной природы.Разрыв ковалентной связи соседних собственных атомов решёткиприводит к образованию (генерации) пары СНЗ разного знака (рис. 1.11,рис. 1.12, рис. 1.13б). Условие электрической нейтральности собственного полупроводника(−q ) × n + (+ q ) × p = 0 ,выраженное через концентрацию носителей заряда, имеют видn = p ≡ ni ,(1.1)где п [см─3] и р [см─3] – концентрация электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне соответственно, ni – концентрация носителейсобственного полупроводника8.Если собственный атом кристаллической решётки четырёхвалентного кремния или германия будет замещён пятивалентным атомом элементаV группы таблицы Менделеева, например, фосфором Р, то четыре валентных электрона примесного атома будут задействованы в формированииковалентных связей.
Энергетический уровень пятого валентного электрона ED будет находится в запрещённой зоне полупроводника, поскольку нив валентной зоне, ни в зоне проводимости нельзя разместить ещё хотя быодин дополнительный уровень разрешённых состояний сверх положенных четырёх уровней на каждый атом (рис.
1.13). Не участвующий в формировании ковалентных связей пятый электрон слабо связан с ядром.Энергия его ионизации ΔED = EC − ED , как правило, на один – два порядка меньше ширины запрещённой зоны. Например, энергия ионизациифосфора в кремнии составляет всего 0, 044 эВ =1,7κ T0 при ширине запрещённой зоны E g = 1,12эВ ≈ 42κ T0 . «Лишний» электрон легко отрываетсяот атома примеси, т.е.
переходит с примесного уровня ED в зону проводимости, где становится свободным носителем заряда. Такая примесь называется донорной, поскольку увеличивает концентрацию СНЗэлектронов в полупроводнике. Энергетический уровень электронов до-20норной примеси ED находится в запрещённой зоне ниже дна зоны проводимости на величину энергии ионизации примеси (рис. 1.13в).Ионизация атомов донорной примеси означает переход электрона спримесного уровня в зону проводимости. При этом образуется свободныйэлектрон в зоне проводимости и н е подв ижн ый положительный иондонорной примеси, встроенный в кристаллическую решётку.
Посколькуэнергия ионизации донорной примеси невелика, то уже при комнатнойтемпературе практически все атомы донорной примеси ионизированы.Ионизация атомов донорной примеси не исключает образование пар СНЗза счёт перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Ионизация собственных атомов создаёт концентрацию р [см─3] свободныхдырок.Условие электрической нейтральности примесного полупроводника,легированного донорной примесью, имеет вид:n = p + N D+ ,(1.2)где N D+ – концентрация встроенных в решётку положительных ионов донорной примеси.Энергия ионизации примеси во много раз меньше энергии ионизациисобственных атомов решётки.
Поэтому в области рабочих температур вдонорном полупроводнике n p. Электроны являются основными носителями заряда (ОНЗ)9. Они образуются, в основном, за счёт ионизацииатомов донорной примеси. Их концентрация может широко варьироватьсяпутём изменения количества введённой примеси. Дырки являются неосновными носителями заряда (ННЗ). Они образуются за счёт разрываковалентных связей (ионизации) собственных атомов решётки.Аналогично, если собственный атом кристаллической решетки четырёхвалентного кремния или германия замещён трёхвалентным атомомэлемента III группы таблицы Менделеева, например, бором В, то три валентных электрона примесного атома будут задействованы в формировании ковалентных связей. Электрон, недостающий для формирования четвёртой ковалентной связи, привлекается за счёт разрыва ковалентной связи собственных атомов решётки в объёме кремния (рис.
1.13а).При этом образуется свободная дырка в валентной зоне и неподвижный отрицательный ион атома акцепторной примеси, встроенныйв кристаллическую решетку. Такая примесь называется акцепторной (отангл. accept – принимать), поскольку она «присоединяет» к себе электроны за счёт их перехода из валентной зоны на примесный уровень ЕА.Энергетический уровень «присоединённых» электронов EА находится взапрещённой зоне выше вершины валентной зоны на величину энергииионизации акцепторной примеси (рис. 1.13а).21Условие электрической нейтральности примесного полупроводника,легированного акцепторной примесью, значит, обладающего в основномдырочной проводимостью, имеет вид:p = n + N A− ,(1.3)где N A− – концентрация встроенных в решётку отрицательно ионизированных атомов акцепторной примеси.В полупроводнике, легированном акцепторной примесью, дырки являются основными носителями заряда, а электроны − неосновные носители заряда. Дырки образуются, в основном, за счёт ионизации атомовпримеси, а ННЗ-электроны − за счёт разрыва ковалентных связей собственных атомов решётки.–А)ЕСБ)ЕAЕVSi +SiSiSiSiSiSiSi–SiSiSi+ SiSi+РSiSiSiSiSiSiSiSi––SiВSi+ Si–+––– ––ЕСB+ +––+ Siа)–+ЕVб)+ЕСЕD+PЕVв)+Рис. 1.13. Образование свободных носителей заряда в собственном и при‐месных полупроводниках за счёт тепловой генерации электронно‐дырочных пар и ионизации атомов примеси А) Модели кристаллических решёток.
Б) Зонные диаграммы.а) Модель акцепторной примеси. Трёхвалентный атом бора захватывает усобственного атома электрон, недостающий для формирования ковалентнойсвязи. Образуется свободная дырка в валентной зоне и встроенный в кристаллическую решётку отрицательный ион В−. ЕА – акцепторный уровень.б) Модель собственного полупроводника. Разрыв ковалентной связи собственных атомов решётки кремния создаёт пару свободных носителей заряда – положительную дырку в валентной зоне и отрицательный электрон взоне проводимости.в) Модель донорной примеси.
Пятивалентный атом фосфора отдаёт незадействованный в ковалентных связях пятый электрон. Образуется свободный электрон в зоне проводимости и встроенныйв кристаллическую решётку неподвижный положительный ион Р+. ЕD – донорный уровень.На зонных диаграммах примесных полупроводников показано также образование электронно-дырочных пар носителей заряда за счёт разрыва ковалентных связей (ионизации) собственных атомов решётки, которые обозначаются как переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости.22В области рабочих температур примесных полупроводников основными являются «примесные» носители, созданные за счёт ионизациипримеси. Неосновные носители – это «собственные» носители, созданныеза счёт ионизации собственных атомов решётки.Выводы1. Элементы IV группы таблицы Менделеева Si и Ge формируюткристаллическую решётку за счёт ковалентных связей каждого атома счетырьмя ближайшими соседями.
В каждом данном направлении ковалентная связь двух соседних атомов реализуется двумя валентными электронами s- и p-электронных уровней – одним «своим» и одним «чужим»,которые (согласно представлениям классической физики) вращаются вокруг этих атомов по одной общей орбите.2. При формировании твёрдого тела s- и p-электронные уровни атомов, объединяемых ковалентными связями, расщепляются на две – верхнюю и нижнюю – полосы разрешённых состояний, представляющих собой совокупность множества (по числу атомов) дискретных энергетических уровней.Нижние полосы совокупности s- и p-электронных уровней перекрываются и создают валентную зону, в основном, занятых (электронами)состояний полупроводника.
Перекрывающиеся верхние полосы s- и pуровней создают зону проводимости, в основном, свободных состояний.Между ними находится запрещённая зона.На каждый атом в валентной зоне и зоне проводимости приходитсяпо 4 разрешённых состояния (по 1 от s- и по 3 от р-подуровней). Числоатомов велико, а глубина зон конечная. В каждой из зон формируетсяпрактически непрерывный спектр большого числа разрешённых состояний, разделённых незначительным дискретом, величина которого на много порядков меньше характерного масштаба энергии тепловых колебаний.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
